автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Обоснование строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах

На правах рукописи

синицын

Анатолий Олегович

ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА

СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В ПЛАСТИЧНО-МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты,

подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Г1 1 А В Г 2011

Санкт-Петербург 2011

4852000

Работа выполнена на кафедре «Гидротехническое строительство» инженерно-строительного факультета ГОУ ВПО «Санкт-Петербургского государственного политехнического университета»

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Шхинек Карл Натанович, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет (г. Санкт-Петербург)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Роман Лидия Тарасовна Московский Государственный Университет (г. Москва)

кандидат технических наук Соснина Светлана Анатольевна, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (г. Санкт-Петербург)

Ведущая организация

Общество с Ограниченной Ответственностью «НПФ «ГТ Инспект»

Защита состоится 23 сентября 2011 года в 10 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВНИИГ им Б.Е. Веденеева»

Автореферат разослан ЪЛрЛ£ гт

г.

Ученый секретарь диссертационного советг кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Для решения задач по освоению Арктики требуется строительство и реконструкция различных сооружений, в том числе гидротехнических, на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей, которые характеризуются сплошным распространением отрицательно температурных засоленных осадочных толщ. При строительстве сооружений в Арктике широко применяются сваи. Для обоснования строительства свайных фундаментов требуется эффективное производство сваебойных работ и правильная оценка несущей способности грунтов оснований. Опыт сваебойных работ на территории России, США и Канады свидетельствует о принципиальной возможности устройства свайных фундаментов способом забивки в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов. Забивка может быть реализована с помощью метода погружения свай вдавливанием. Однако в литературе практически отсутствуют теоретические разработки и количественные характеристики процесса погружения свай в мерзлые грунты, поэтому требуется разработка методики для расчета процесса погружения свай. Известно, что сваи, погруженные способом забивки в пластично-мерзлые грунты, обладают повышенной несущей способностью по сравнению с несущей способностью, рассчитанной по нормативным документам для этого же вида грунта. Однако, до настоящего времени, как в отечественной, так в зарубежной литературе, отсутствует банк данных, позволяющий назначить расчетные характеристики грунтов при температуре, близкой к началу замерзания грунтовой влаги.

Проблемы производства сваебойных работ и определения несущей способности свай в условиях мерзлых засоленных грунтов определяют актуальность цели диссертации, которой являлось обоснование строительства свайных фундаментов, в том числе морских гидротехнических сооружений, в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах. Для досгижешм поставленной цели требовалось решение следующих задач:

1) создание методики определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, экспериментальное определение параметров для расчетов;

2) экспериментальное определение физико-механических характеристик мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений, необходимых для расчетов несущей способности свайных фундаментов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов подбора оборудования для погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Выполнить анализ достаточности информации о свойствах грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Разработать и обосновать методику определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, обосновать параметры, необходимые для расчетной методики.

4. Разработать программу экспериментальных исследований для получения недостающих физико-механических параметров грунтов.

5. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования грунтов и установить требуемые для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах физико-механические характеристики.

6. Произвести расчеты оснований в соответствии с предложенной методикой и выявить основные факторы, влияющие на процесс погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

7. Для расчета несущей способности оснований на основе экспериментальных данных получить длительные значения деформационно-прочностных характеристик пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.

Научная новизна

1. Предложено обоснование строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах на основе методики расчета усилий при погружении свай и данных для оценки несущей способности грунтов.

2. Впервые определено существенное влияние скорости погружения на усилие вдавливания сваи в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, и даны рекомендации по оптимизации технологии задавливания свай при строительстве фундаментов.

3. Для обоснования и оптимизации производства работ при строительстве свайных фундаментов впервые на оригинальном оборудовании проведены исследования пластично-мерзлых и охлажденных грунтов в условиях трехосного сжатия с высокой скоростью деформирования.

4. На уникальном оборудовании проведены исследования мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений методом вдавливания сферического штампа.

5. Исследована несущая способность оснований, представленных пластично-мерзлыми и охлажденными грунтами в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей.

Достоверность результатов расчетов усилий для погружения свай вдавливанием обеспечивается использованием стандартного приема сложения динамического лобового сопротивления свай и сопротивления трению по боковой поверхности. При этом предполагается, что лобовое сопротивление оказывает мерзлый грунт, а боковое происходит по талому грунту. При определении динамического лобового сопротивления использовались стандартные методики и формула СНиП 2.02.04-88. Определение свойств грунтов, необходимых для расчета несущей способности свай проведено по стандартизированным методикам, рекомендованным СНиП

2.02.04-88 и изложенным в ГОСТ 12248-96. Полученные результаты обработки опытов не противоречат экстраполяции известных значений в исследованную область температур и засоленностей.

Практическая значимость работы

1. Для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах разработана методика расчета погружения свай методом вдавливания.

2. Для предложенной методики получены расчетные характеристики мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Проведенные исследования трехосного сжатия позволяют оптимизировать производство сваебойных работ и создают основу для разработки математической модели деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

4. Для обоснования возведения свайных фундаментов расширена область оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей, которые могут быть использованы при строительстве морских гидротехнических сооружений и для уточнения СНиП.

Личный вклад автора

1. Автором осуществлены постановка целей, задач, формулировка необходимости изучения ряда факторов, влияющих на исследуемые явления, проведены исследования, сформулированы защищаемые положения.

2. Проведен сбор, анализ и обобщение основных литературных данных и авторских рекомендаций о производстве сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов и систематизация механических свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Автором лично разработана методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, выявлены параметры грунтов, необходимые для обоснования строительства свайных фундаментов.

4. В ходе выполнения диссертационной работы автор усовершенствовал методики подготовки и испытаний образцов с использованием оригинального оборудования, получил требуемые деформационно-прочностные параметры пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.

5. Автором сформулированы и обоснованы предложения по оптимизации процесса погружения свай для строительства фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

6. Проведение и обработка экспериментальных данных осуществлялись в Университетском Центре на Свальбарде (UNIS) с участием ряда сотрудников, которым автор выражает искреннюю благодарность.

Апробация работы

Основные защищаемые положения диссертации апробированы на XXXVI, XXXVII, XXXVIII Неделях науки СПбГПУ: Материалы Всерос-

сийских межвузовских научно-технических конференций студентов и аспирантов, Санкт-Петербург (2007, 2008, 2009), тезисы докладов отмечены дипломами конференций; на 9-ой Международной конференции и выставке по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ RAO/CIS Offshore 2009 Санкт-Петербург (2009) статья доклада «Исследования механических характеристик мерзлых грунтов побережий Арктических морей» отмечена дипломом конференции; на 5-ой Норвежско-российской арктической шельфовой конференции «Совместные исследования и инновации для нефтегазовой промышленности в Арктике», г. Мурманск (2010).

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в трех по перечню ВАК.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, двух приложений и списка литературы, содержащего 112 наименований. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков и 24 таблицы.

Защищаемые положения:

1. Методика определения усилий для вдавливания свай при строительстве фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Обоснование факторов, влияющих на сопротивление грунта, напряжения в свае и мощность сваебойного оборудования при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Экспериментальные данные для оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов и их математического моделирования в области значительных фазовых превращений, требуемые в предложенной методике.

4. Оценка длительных деформационно-прочностных свойств, необходимых для определения несущей способности оснований, сложенных пластично-мерзлыми и охлажденных грунтами, в диапазонах температур и засоленностей, не охваченных СНиП 2.02.04-88 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору кафедры «Гидротехническое строительство» инженерно-строительного факультета СПбГПУ Карлу Натановичу Шхинеку за руководство и помощь в выполнении данной работы; доктору, профессору морских Арктических технологий NTNU/UNIS Свейнунгу Лосету; зав. лаб. «Инженерная геология» ВНИИГ им. Веденеева, к.г.-м.н. Н.Ф. Кривоноговой; д.ф.-м.н., профессору UNIS/NTNU А.В. Марченко, д.т.н., профессору в области механики льда и морских технологий NTNU К. Хойланду; профессору NTNU Л.О. Гранде; заведующей библиотекой UNIS Берит Якобсен, магистру СПбГПУ М. Юровой за неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает

благодарность всем сотрудникам кафедры «Гидротехническое строительство» и кафедры «Основания и фундаменты, подземные сооружения» Инженерно-строительного факультета СПбГПУ, всем сотрудникам UNIS за внимание к работе и критические замечания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дается ее общая характеристика, формулируются основные цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, личный вклад автора и апробация работы, защищаемые положения, приводится список определений и пояснений и список условных обозначений.

В первой главе рассмотрены проблемы строительства свайных фундаментов зданий и сооружений на основаниях, представленных пластично-мерзлыми грунтами. Для освоения Арктических территорий необходимо строительство сооружений, основными видами которых являются: морские гидротехнические сооружения, причалы, трубопроводы (основания трубопроводов, сооружения для переходов трубопроводов на участках «берег-море», через водные преграды), резервуары для хранения нефтепродуктов, основания ветрогенераторов и др. Основным видом фундаментов под тяжелые сооружения в Арктике являются сваи (Ladanyi, 1991; Аксенов, 2008).

На побережье Северного Ледовитого океана широко представлены засоленные многолетнемерзлые породы (Брушков, 2008) в пластично-мерзлом и даже охлажденном состоянии (Аксенов, 2008). Данные условия благоприятны для производства сваебойных работ бурозабивным способом, реализация которого рациональна с помощью метода вдавливания. Ошибочное применение забивного способа может привести к разрушению свай (Конаш, 1977; Myska и др., 1978; Таргулян, Баширов, 1987). Преимуществами забивного способа являются отсутствие «мокрых» технологических процессов, применение известных технологий, минимальное нарушение теплового режима грунта при внедрении сваи (Аксенов, 2008). Проблема бездефектного погружения свай в мерзлые грунты существовала с 1950-х гг. Опыт сваебойных работ на мерзлых грунтах на территории России (Вялов, 1959; Ерошенко, 1965; Вялов, Таргулян, 1968; Костерин, 1990; Таргулян и др., 1994), США и Канады (Kitze, 1959; Johnston, 1963; Crory, 1973; Rooney и др., 1976; Bendz, 1977; Davison и др., 1978; DiPasquale и др., 1983; Tomas и др., 1986; Merrill и др., 1996; Phukan, 1998) свидетельствует о принципиальной возможности такого способа устройства фундаментов. В рекомендациях российских авторов (Вялов и др., 1968; Ерошенко, 1972; Гончаров и др., 1980), приводятся способы забивки железобетонных или свай из металлических труб с закрытым концом в зависимости от геокриологических условий. В рекомендациях североамериканских авторов рассматривается возможность забивки металлических свай из двутаврового

профиля или труб с открытым концом » зависимости от гранулометрического состава грунтов и их температуры (Davison и др., 1978; Phukan, 1998; Weaver, 1979; Crory, 1982; Nottingham др., 1983). Анализ особенностей геокриологических условий, геометрических размеров свай, их прочностных параметров, характеристик сваебойного оборудования не проводился; практически отсутствуют (за исключением (Weaver, 1979; Новожилов, 1987) теоретические разработки и расчетные данные характеристик процесса погружения свай в мерзлые грунты. Поэтому, требуется разработка методики определения сопротивления пластично-мерзлых грунтов при погружении свай. Для разработки данной методики необходимо изучение механических свойств рассматриваемых грунтов при быстром приложении нагрузки или больших скоростях деформирования. Анализ литературных данных показал (Fish,1984; Rein, 1985; Baker, 1978; Segó и др., 1982; Zhu, Garbee 1983; Perkins, 1973; Parameswaran, 1980; Bragg, 1981; Haynes и др., 1975; Пекарская, 1966; Sayles, 1974; Segó, Chernenko, 1984; Nixon. Lern, 1984; Разбегин и др., 1996; Arenson, 2004; Аксенов, 2008; Yuanrning, 2010), что исследования прочности мерзлых засоленных грунтов при высоких скоростях деформирования в условиях бокового сжатия не проводились.

Вместе с тем, длительные деформационно-прочностные характеристики пластично-мерзлых, а особенно охлажденных грунтов изучены слабо (Докучаев, 1963; Цытович, 1973; Велли, Аксенов, 1979; Брушков, 1998; Роман, 2007; Хименков, Брушков, 2003; Аксенов, 2008; Aas, 1980; Segó и др, 1982; Ogata и др, 1983; Sego, Chernenko 1984; Nixon, Lern, 1984; СНиП 2.02.04-88; Hivon, 1991; Hivon, Sego, 1995; Рекомендации ПНИИИС, 2001). Из анализа литературных данных следует, что актуальным является исследование деформационно-прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов в области значительных фазовых превращений при температуре, близкой к температуре начала замерзания фунтовой влаги До настоящего времени, отсутствует банк данных, позволяющий назначить расчетные характеристики для определения несущей способности оснований при температуре, близкой к началу замерзания грунтовой влаги. Остается проблемным вопрос о назначении расчетных характеристик для мерзлых засоленных фунтов при высоких температурах (-1...-6°С) и высоких значениях засоленности {Dsa¡ - 0,5 - 1,5%). На основании анализа литературы были сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе предложена методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые грунты при возведении свайных фундаментов. Погружение свай бурозабивным (забивным) способом возможно с помощью метода вдавливания, который отличают простота, быстрое вмерзание свай, отсутствие «мокрых» процессов, отсутствие ударных и вибрационных воздействий, отсутствие необходимости в усиленном армировании железобетонных свай, высокая точность погружения. В настоящей работе предпринята попытка разработки методики расчета сопро-6

тивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты методом вдавливания (Синицын, Лосет, 2011; Sinitsyn, Leset, 2011). Принимается, что свая погружается с постоянной скоростью. Искомым является усилие Ps^i), необходимое для погружения сваи на заданную глубину. Условием бездефектного погружения принимается

о < оац, (1)

где а - напряжение в свае от статической нагрузки; аац - допускаемое напряжение в свае при статическом воздействии.

Свая рассматривается как абсолютно жесткий стержень, преодолевающий сопротивление вмещающего грунта. Усилие PsU,t(i) определяется

= Ра V + «Ё f»h • <2)

/=1 i=i где Рц и PS1— динамическое лобовое и сопротивление по боковой поверхности для /-го слоя; Rd, и fDi - динамическое удельное лобовое и удельное сопротивление по боковой поверхности для /-го слоя; F - площадь поперечного сечения сваи; и - периметр сваи; /,- - глубина г-го слоя.

Принимается, что под торцом сваи грунт деформируется пластически. Удельное сопротивление RDi определяется по аналогичной зависимости для допустимого давления на мерзлый грунт под торцом сваи (СНиП 2.02.04-88). Для учета динамического воздействия на грунт при внедрении сваи предельно-длительное сцепление заменено на условно-мгновенное

RDi =5,7 cins, + у/г, (3)

где сш - условно-мгновенное сцепление, принимаемое равным условно-мгновенному эквивалентному сцеплению сеч(Ш)', у - удельный вес грунта; h - глубина заложения фундамента.

Сопротивление fDl в (2) предлагается определять в зависимости от сжимающих напряжений сту в мерзлом грунте, возникающих под действием бурозабивной сваи

/и = tg(p, (4)

где ф - угол внутреннего трения контакта «грунт-свая».

Напряжения стг - по (Аксенов, Геворкян, 2007)

ог = -aEU/(l+ v)r> ,r>a, (5)

где Е,ь- модуль деформации и коэффициент Пуассона мерзлого грунта; г - расстояние по радиусу от центра скважины; а - радиус сваи; U - заданное перемещение на внутренней поверхности скважины, U= а ~Rph {Rph -радиус лидерной скважины).

Релаксацию напряжений аг при длительном воздействии нагрузок можно учесть, если известна зависимость модуля деформации Е от времени. При заданной глубине погружения острия сваи релаксацию напряжений в вышележащих слоях грунта можно учесть следующим образом. Толща разбивается на слои в зависимости от времени их прохождения торцом сваи, что позволяет определить модуль Е слоя грунта, с помощью которого по (5) рас-

считывается напряжение сг и по (4) сопротивление — fo¡ слоя грунта. Сопротивление по боковой поверхности Psi определяется интегрированием fD¡ по боковой поверхности сваи.

В то же время, при внедрении сваи в мерзлый грунт, следует ожидать возникновения значительных сжимающих напряжений, особенно в области торца сваи. Особенностью рассматриваемых мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений является наличие порового льда при температурах, близких к температуре замерзания. Известно, что при высоких давлениях (Chamberlain и др., 1972; Parameswaran, Jones, 1981; Yuanm-ing и др., 2010) поровый лед начинает плавиться, что приводит к снижению прочности. В тоже время, прочность мерзлых грунтов зависит от скорости деформирования é. Поэтому, следует ожидать, что усилие вдавливания должно зависеть от скорости вдавливания сваи. Изучение влияния радиального давления аз и больших скоростей деформирования на механические свойства мерзлого грунта, необходимо для определения механизмов деформирования грунта при внедрении сваи, знание которых позволит оптимизировать процесс внедрения. Наиболее достоверная оценка прочностных и деформационных свойств грунтов при сложном напряженном состоянии осуществляется по данным испытаний на трехосное сжатие. Поэтому необходимо проведение таких испытаний, например, с высокими скоростями деформирования, имеющими место в грунтовом массиве при внедрении сваи. Искомой является зависимость сопротивления сдвигу т от температуры грунта 0, скорости деформирования é и радиального давления а3.

Определения параметров в предложенной расчетной методике возможно с помощью метода вдавливания сферического штампа и метода трехосного сжатия с постоянной скоростью. Метод вдавливания сферического штампа, предложенный H.A. Цытовичем (Цьггович, 1947) на основе пробы Бринелля, позволяет определять значения ceq(¡mt), зависимость Е =/(/), а также длительные значения сеф и Ео1, с помощью которых рассчитывается несущая способность свай. На основе решения А.Ю. Ишлин-ского (Ишлинский, 1944) С.С. Вяловым и H.A. Цытовичем (Вялов, Цытович, 1956) получено уравнение для расчета эквивалентного сцепления за время t

Ceq(l) = 0Д8Р / KdS,, (6)

где Р - постоянная нагрузка на сферический штамп; D - диаметр штампа; .S,- осадка штампа за время t.

По осадке штампа S, после приложения постоянной нагрузки (через 5-10 с) определяется мгновенное сцепление ceq(¡„st) (Цытович, 1973). Предельно-длительное значение эквивалентного сцепления ceq^ определяют по формуле (6), если достигнута стабилизация осадки. Для расчета се?(Х) по данным 8-ми часовых испытаний используется переходной коэффициент К (Рекомендации ПНИИИС, 2001) в формуле (6)

c«rtoo) = К (P,\&P!kDS%), (7)

где Sg - осадка штампа за 8 часов. 8

Для прогноза сеч^ на срок службы сооружений (составляющий для линейных сооружений 30 лет) устанавливается зависимость -¿в пределах опытного периода, по которой определяются параметры уравнения для прогноза сед(1) на срок службы сооружений. Для условий мерзлых засоленных грунтов рекомендуется применение логарифмического уравнения С.С. Вялова (Роман, 2002) и степенного уравнения Л.Т. Роман (Кривов, 2008). Значение эквивалентного сцепления дает возможность определять сопротивление сдвигу мерзлого грунта по грушу Кф которое может быть принято равным длительному эквивалентному сцеплению (Вялов, 2000), а также -длительное сопротивление нормальному давлению /?з0 (СНиП 2.02.04-88):

Дзо = 5,7^30) + у/г, (8)

где се?(зо) - эквивалентное сцепление на 30 лет.

По результатам испытаний сферическим штампом возможно определить модуль общей деформации грунта Еы (Роман, Веритехина, 2004)

Ео1=Ъ(\-^)Р1А8Г(П-8,)"2, (9)

По зависимости осадки во времени, соответствующем времени погружения сваи определяется зависимость вида £п,=/(г), используемая для расчета релаксации напряжений а,, получаемых по (5). Расчет длительного значения Еок10) производится с помощью стабилизированной осадки штампа за 30 лет: 530 = 0,18/7се9р0)л£>.

Испытания методом трехосного сжатия с постоянной скоростью деформирования выполнялись с использованием отдельных положений ГОСТ 12248-96, АБТМ Б 7300-06, а также рада рекомендаций (Ершов, Роман, 1995; Аксенов, 2008). Целью исследований являлась оценка влияния температуры, скорости деформирования ё и радиального напряжения а3 на прочностные показатели грунта по теории Мора-Кулона - угол внутреннего трения ф и сцепление С. Испытания состояли из двух фаз (Ершов, Роман, 1995), в первой фазе производилось всестороннее обжатие образца до условной стабилизации вертикальных деформаций. Обжатие производилось ступенчато, до условной стабилизации вертикальных деформаций на каждой ступени. Во второй фазе производилось деформирование образца с заданной скоростью относительной деформации е и заданным радиальным напряжением а3. Схема испытаний - закрытая (консолидирова-но-недренированные испытания), водоотток из образца практически отсутствовал. Деформирование проводилось до достижения относительной продольной деформацией гг значений 0,18-0,23 (е2(/;„,). Главное напряжение СГ] определялось

а^Р/А, (10)

где Р - текущее значение нагрузки, А - текущая площадь поперечного сечения.

Напряжение сдвига т определялось

т = (о, -а3)/2, О1)

Нормальное напряжение определялось

оя=(о1+о,)/2, (12)

Моментом разрушения принималось начало пластического течения.

В третьей главе представлены свойства исследованных пластично-мерзлых и охлажденных грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов. Для применения предлагаемой методики требуются значение ceq(im,) и зависимость видаE=f(t). Для оценки влияние скорости вдавливания на сопротивление под торцом сваи, требуется изучение сцепления данных грунтов в зависимости от скорости деформирования. Для определения несущей способности оснований, сложенных рассматриваемыми грунтами, требуются длительные значения R, Raf, и Еы. Данные параметры были получены в исследованиях мерзлых засоленных супеси и суглинка методом вдавливания сферического штампа (Синицын, Лосет, 2010; Sinit-syn, Leset, 2010; Синицын, Лосет, 2011; Sinitsyn, Leset, 2011) и методом трехосного сжатия с большими скоростями деформирования (Синицын, Лосет, 2011; Sinitsyn, Leset, 2011). В исследованиях рассматривался температурный диапазон значительных фазовых превращений, в котором возможно погружение свай методом вдавливания.

Лабораторные испытания были проведены в Университетском Центре на Свальбарде (UNIS). Для испытаний методом сферического штампа использовались образцы нарушенного сложения в виде массивов грунта (супесь «Серия 1») и цилиндрические образцы (супесь «Серия 3», суглинок «Серия 3»), имеющие размеры по ГОСТ 12248-96. Для испытаний на трехосное сжатие использовались цилиндрически образцы нарушенного сложения, диаметром 68 мм, высотой 130 — 140 мм (супесь «Серия 2»). Диапазон относительных температур испытаний 0/0^/ для супеси «Серии 1» составил 1,05-1,55; для супеси «Серии 2» - 1,7-2,8; для супеси «Серии 3» - 1,2-1,3; для суглинка «Серии 3» - 1,4-2,1. Параметры испытаний представлены в диссертации. В ходе испытаний измерения температуры образцов грунта и окружающего воздуха производилось автоматически. Нагрузка задавалась электрогидравлическим прессом KNEKKIS, обеспечивающим постоянство нагрузки/скорости деформирования и автоматическую запись осадок штампа/нагрузки во времени. Для испытаний методом вдавливания сферического штампа использовался индентор с семью шариками, расположенными на одной платформе (рис.1, рис.2).

Для испытаний методом трехосного сжатия использовалась камера трехосного сжатия, вдея конструкции камеры принадлежит проф. L.O. Grande, камера изготовлена в BAT/TVT/NTNU.

По результатам испытаний методом вдавливания сферического штампа были определены средние значения условно-мгновенного эквивалентного сцепления с^^, зависимости среднего модуля от времени (табл.1).

Значения длительных и предельно-длительных Ra/, R и Е0ь рассчитанные от Ceqfl), определенного по зависимостям С.С. Вялова, Л.Т. Роман, и по (7), представлены в диссертации.

J

\А

Рис.!. Испытания массивов грунта (разрез): I - образец грунта; 2 - сферический штамп, 0 = 22 мм; 3 - общая платформа нндентора; 4 - шток пресса

»«той! '.-¿¡¡алг

Рис.2. Испытания цилиндрических образцов; I - сферический штамп, й = 22 мм; 2 - образец грунта; 3 - общая платформа инлентора; 4 - температурные датчики

Таблица 1

Грунты сеаП1ШЪ КПа Ет ~/(0 ,1- [с], Еш = [мПа]

Супесь «Серия 1» 1,05-1,6 638 300 ■ Г°67

Супесь «Серия 3» 1,2-1,3 420 190 •

Суглинок «Серия 3» 1,4-2,1 1080 1345 -Г0'74

Результаты испытаний показали, что при температуре ниже на 0,15-0,20°С температуры начала замерзания порового раствора, значения длительного эквивалентного сцепления мало отличаются между собой и их можно считать сопоставимыми с таковыми для грунта в талом состоянии. Понижение температуры на 0,7—1,2°С, обусловливая кристаллизацию влаги, приводит к увеличению эквивалентного сцепления. При этом понижение температуры всего на 0,5°С приводит к заметному повышению прочности. Зависимости значений эквивалентного сцепления на срок 30 лет и предельно-длительного значения эквивалентного сцепления от относительной температуры 6/9у линейны. При испытаниях массивов супеси «Серии 1» значения параметров сщ{щ и Е0,оо), полученные по формуле Л.Т. Роман получились в 2-3 раза ниже, значений определенных по формуле С.С. Вялова; при испытаниях супеси «Серии 3» с большей длительностью, значения сЛ/1 щ и ¿^¡зо)- полученные по данным формулам были ближе, В тоже время, значения и Еацщ, полученные по зависимости С.С. Вялова близки к значениям с^«) и полученным по формуле (7). Поэтому, принимая во внимание, что коэффициент К в (7) был принят равным 0,55 по (Рекомендации ..., 2001), а не определен опытным путем, можно рекомендовать формулу С.С. Вялова для определения длительной прочности пластично-мерзлых и охлажденных грунтов при ускоренном методе испытаний сферическим штампом. Результаты испытаний подтверждают, что необходимо проведение более длительных испытаний при исследова-

ниях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов, как это рекомендуется в общем случае для засоленных мерзлых грунтов (Брушков, 2008). Значения ceqrmst) и зависимости Eot=f(t) для супеси, полученные при испытаниях массивов и цилиндрических образцов, близки к друг другу, что позволяет сделать вывод о возможности использования массивов грунта при применении описанного оборудования. Полученные данные позволяют рассчитать свайные фундаменты на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах в области ранее слабо исследованных диапазонов температур и засоленностей.

Механические характеристики, определенные методом трехосного сжатия представлены в диссертации. Результаты показали, что напряжение сдвига Ттлх мерзлой засоленной супеси в исследованных экспериментальных условиях увеличивается при снижении температуры и увеличении скорости деформации в диапазоне 10~3 - 10~2 с"1, увеличение радиального напряжения ст3 в диапазоне ОД - 0,3 МПа приводит к снижению тшах. Последняя особенность подтверждает возможность использования принятой пластической модели деформирования грунта под торцом сваи в процессе ее внедрения. Влияние радиального давления на прочность значительно при высоких температурах, при понижении температуры оно ослабевает. Результаты исследований «пиковой» прочности Тщ« в общем случае согласуется с известными закономерностями поведения мерзлых грунтов под нагрузкой при действии гидростатического давления (Andersland, Ladanyi, 1994). Известно, что при постоянной температуре и постоянной скорости деформирования прочность мерзлых грунтов сначала увеличивается в диапазоне не слишком больших ст3, затем при дальнейшем росте стз наблюдается снижение прочности, сопровождаемое плавлением льда; после полного таяния льда снова наблюдается увеличение прочности (Chamberlain и др., 1972). Снижение т, при увеличении аз объясняется увеличением содержания незамерзшей воды, (Chamberlain и др., 1972). Увеличение содержания незамерзшей воды Ww при росте Стз объясняется плавлением льда на контактах минеральных частиц и общим понижением относительной температуры в соответствии с уравнением Клапейрона-Клазиуса. Увеличение напряжения ттах при росте е от 10~3 с-1 до 10~2 с-1 может быть объяснено изменением механизма деформирования: меньшая скорость деформирования приводит к большему числу контактов между частицами и поровым льдом (Sayles, 1974), что приводит к большему таянию льда на контактах частиц, а, следовательно, снижению прочности. При медленном деформировании лед имеет достаточно времени для таяния. Этого времени может не хватать при быстром деформировании. Конечные объемные деформации для всех опытов характеризовались уплотнением, что подтверждает возможность таяния льда на контактах частиц. Исследованная зависимость прочности от скорости деформирования, характерна в целом для тел в твердом состоянии - для металлов (Mihalikova, Janek, 2007), бетонов (Ortlepp, Cuibach, 2005), льда (Sanderson, 1988). Поэтому, можно сказать, что зависимость прочности мерзлых грунтов от скорости деформирования 12

является частным проявлением увеличения прочности при росте скорости деформирования для твердых тел.

Выполнение трехосного сжатия трудоемко. Поэтому, представляет интерес сопоставление результатов испытаний методом трехосного сжатия и вдавливания сферического штампа. Для вдавливания сферического штампа были использованы образцы супеси, идентичные образцам для трехосного сжатия (Синицын, Лосет, 2011). Сопоставление результатов, представленное в диссертации, показало, что значения прочности, определяемой методом трехосного сжатия при высоких скоростях деформирования тти и условно-мгновенной прочности Ccq(inst)i определяемой методом вдавливания сферического штампа сопоставимы. Несмотря на определенную условность сопоставления, это подтверждает возможность использования метода сферического штампа для определения условно-мгновенной прочности мерзлых грунтов.

Четвертая глава посвящена определению усилий вдавливания свай при возведении свайных фундаментов в пластично-мерзлых грушах. Рассмотрено влияние различных факторов на значение усилия вдавливания.

Влияние скорости внедрения сваи на усилие вдавливания в пластично-мерзлых грунтах рассмотрено на примере сплошных свай круглого поперечного сечения. Усилие для вдавливания определялось по (2) с использованием (3) - (5). В качестве грунтовых условий приняты супесь и суглинок «Серии 3». Принимались постоянная скорость вдавливания 1 и 0,1 м/мин, диаметр свай - 30 см, лидерной скважины - 25 см. Параметр и в (5) и (9) принят равным 0,4, как для пластично-мерзлых грунтов (Цытович, 1973), tgcp - по физическим характеристикам исследованных грунтов в немерзлом состоянии. Последнее допущение сделано, во-первых, на основе опытных наблюдений, показывающих, что в процессе забивки контакт «грунт-свая» находится в немерзлом состоянии (Новожилов, 1987), во-вторых, следует ожидать таяние льда в порах грунта под воздействие сжимающих напряжений, как было показано в ряде работ (Chamberlain и др., 1972; Parameswaran, Jones, 1981; Yuanming и др., 2010; Синицын, Лосет, 2011). Результаты расчета усилий для задавливания свай в исследованных грунтовых условиях представлены на рис. 3. На основе полученных усилий проверяется условие (1). Для заданных условий увеличение скорости погружения сваи от 0,1 до 1 м/мин приводит к росту усилия вдавливания примерно в пять раз. Знание зависимости усилия вдавливания от скорости вдавливания позволяет оптимизировать процесс подбора сваебойного оборудования, исходя из его силовых характеристик, прочности сваи и требуемых темпов производства работ. На рис. 4 показана зависимость соотношения сопротивления по боковой поверхности к общему сопротивлению PJPstnnr) от глубины погружения сваи h.

Анализ зависимости PJPs!ai<i) от глубины и скорости внедрения сваи показал, что вклад сопротивления по боковой поверхности Ps, увеличивается с ростом глубины погружения. Для больших скоростей внедрения сваи (1 м/мин) влияние сопротивления по боковой поверхности имеет пре-

валирующее значение в общем сопротивлении внедрению. Для малых скоростей внедрения (ОД м/мин) вклад сопротивления под торцом сваи значителен и составляет от 15 -20 до 30 -40% от общего сопротивления. В представленных расчетах, удельное сопротивление под торцом сваи рассчитывалось от среднего значения условно-мгновенного эквивалентного сцепления. Сопротивление под торцом сваи Ри слабо изменялось с глубиной благодаря незначительному вкладу компоненты, учитывающей собственный вес грунта в удельном сопротивлении Ко,- Опыты по трехосному сжатию с постоянной скоростью деформирования показали, что сцепление грунта уменьшается примерно в два раза при снижении скорости деформирования с 0,01 до 0,001 с"1, следовательно, удельное сопротивление под торцом сваи также должно уменьшаться при снижении скорости вдавливания.

20000 | 15000 10000 11 | 5000

■ Суглинок, У=1 м/мин

» Суглинок, \/=0,1 м/мин

• Супесь, м/мин

• Супесь, \/=0,1 м/мин

О 10 20

/>, м (глубина погружения)

Рис.3. Влияние скорости задавливания свай на динамическое сопротивление грунта при У= I м/мин и V = 0,1 м/мин: ■ - суглинок; • - супесь

1,00

0,90

1 0,80 а,

» 0,70

0,60 0,60 0,40

III •!■■•■•

I « I

■ \/=1 м/мин, суглинок

• \/=1 м/мин, супесь

■ У=0,1 м/мин, суглинок

• \/=0,1 м/мин, супесь _

15 , 20 я, м

Рис.4. Зависимость соотношения сопротивления по боковой поверхности к общему сопротивлению Р^Р^гт от глубины погружения сваи: ■ - суглинок; • - супесь

Влияние геометрических размеров сваи на усилие вдавливания оценивается исходя из формул (4) и (5), из которых следует, что удельное сопротивление по боковой поверхности постоянно при неизменном соотношении диаметра лидерной скважины к диаметру сваи. Влияние размеров лидерной скважины при неизменном диаметре сваи рассмотрено на примере супеси «Серии 3»; рассмотрены три соотношения ^лидер.скв/^сваи-0,66,0,83, и 0,9 (рис. 5)

X

и

10000 8000

6000

г

4000 2000 0

• • • • (1п.сУ0св.=0,66; V=1 м/мин • с!л.с70св.=С,83; У=1 м/мин • <1л лЛ>св -0,9; У=1 м/мин • А1.сЛ>св.=0,66; У=0,1 м/мин • ал.с.®са.=0,83; У=0,1 м/мин • ф1.сЛ)св.=0,9; У=0,1 м/мин

• • ♦ •

/ . • •' . • ? ? г * г

¡¿т'чгги :

10

И, м

20

Рис.5. Зависимость влияния размеров лидерной скважины на усилие вдавливания для супеси «Серия 3»

Расчеты показали, что при скоростях вдавливания 0,1 м/мин и 1 м/мин усилие вдавливания Р снижается в 3 раза при увеличении ^лидер.скв/Ашаи с 0,66 до 0,9. Таким образом, усилие вдавливания существенно варьируется в зависимости от соотношения ¿/лвдер.скв/Ажаи и скорости вдавливания.

Влияние изменчивости механических характеристик грунтов в диапазоне температур начала замерзания на усилие вдавливания свай рассмотрено на примере супеси «Серии 1». Были определены усилия вдавливания для относительных температур 1,05 и 1,57. Результаты вычислений усилия вдавливания в зависимости от глубины представлены на рис.6. Полученные результаты показывают, что усилие вдавливания в области температур начала замерзания значительно зависит от температуры и скорости вдавливания. Так при увеличении относительной температуры на 0,5, усилие вдавливания возрастает в 2,6 раза для скорости вдавливания 1 м/мин, и в 3,5 раза для скорости вдавливания 0,1 м/мин. Увеличение скорости вдавливания с 0,1 до 1 м/мин при относительных температурах 1,05 и 1,57, приводило, соответственно, к росту усилия вдавливания в 3,1 и 4,2 раза соответственно.

10000 8000 6000 4000 2000 0

• 8/9Ы=1,57, У=1 м/мин ■ 6/еЬГ=1,05,У=1 м/мин • 8/вЫ=1,57, У=0,1 м/мин ■ е/ем=1,05, м/мин

¡¿Г- ■ • • щ£я* тяшшштттш

0,0 5,0 10,0 15,0 20 0

Ь, м

Рис. 6. Влияние температуры и скорости задавливания свай на динамическое сопротивление супеси «Серии 1»

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы: основными параметрами для расчета погружения свай методом вдавливания в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах являются значение модуля упругости и его изменение в зависимости от времени, условно-мгновенное сцепление, геометрические размеры сваи и отношение диаметра сваи к диаметру лидерной скважины. Различие механических характеристик пластично-мерзлых и охлажденных грунтов от температуры в области температур начала замерзания значительно влияет на значение усилия вдавливания свай.

Выводы

1. Впервые был проведен сбор и детальный анализ основных российских и зарубежных литературных данных, посвященный производству сваебойных работ в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах. В результате, была показана принципиальная возможность погружения свай способом забивки (вдавливания) в такие грунты, необходимость обоснования практической реализации данного способа потребовала разработки расчетной методики.

2. Для оптимизации устройства свайных фундаментов различных, в том числе морских гидротехнических сооружений, на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, предложена методика оценки сопротивления грунтов при погружении свай методом вдавливания и значения деформационно-прочностных параметров мерзлых засоленных грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Исследования показали, что основными параметрами для расчета погружения свай методом вдавливания на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах являются значение модуля упругости и его изменение в зависимости от времени, условно-мгновенное сцепление, геометрические размеры сваи и отношение диаметра сваи к диаметру лидерной скважины.

4. Для определения оптимальных режимов работы сваебойного оборудования проанализировано влияние скорости деформирования на механические свойства пластично-мерзлых грунтов. Выявлено, что увеличение скорости деформирования приводит к значительному росту сопротивления грунта, напряжений в свае и мощности требуемого сваебойного оборудования.

5. Д ля обоснования строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах определены необходимые деформационно-прочностные параметры данных грунтов, которые требуются для подбора технологического оборудования и расчета несущей способности свайных фундаментов.

6. Расширен диапазон оценки деформационно-прочностных свойств пластично-мерзлых и охлажденных грунтов по сравнению со СНиП 2.02.0488 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Синицын А.О., Шхинек К.Н. Определение возможности погружения свайных элементов в мерзлые грунты. XXXVI международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы докладов, СПб.: Изд-во Политехи, ун.-та, 2008. - 208 с.

2. Синицын А.О., Шхинек К.Н., Лосет С. Определение эквивалентного сцепления мерзлого засоленного грунта при помощи шарикового штампа в области температур начала замерзания. Результаты лабораторных экспериментов. XXXVII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. I. - СПб.: Изд-во Политехи. ун.-та, 2009. - 430 с.

3. Синицын А.О., Шхинек КН., Лосет С. Исследование эквивалентного сцепления мерзлой супеси с морским типом засоления. XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. I. - СПб.: Изд-во Политехи. ун.-та, 2009. - 430 с.

4. Синицын А.О., Лосет С. Исследования механических характеристик мерзлых грунтов побережий Арктических морей. Труды 9-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2009). 15-18 сентября 2009 года, Санкт-Петербург -СПб.: ХИМ-ИЗДАТ, 2009. -Т.2-324 с.

5. Синицын А.О., Шхинек К.Н., Лосет С. Эквивалентное сцепление мерзлой супеси с морским типом засоления. Материалы лучших докладов XXXVIII Недели науки СПбГПУ. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. -288 с.

6. Синицын А.О., Лосет С. Оценка эквивалентного сцепления мерзлой засоленной супеси при температурах, близких к температуре начала замерзания // «Основания, фундаменты и механика грунтов». - 2010. - №2.

7. Синицын А.О., Лосет С. Определение сопротивления пластично-мерзлых грунтов при погружении свай методом вдавливания // «Основания, фундаменты и механика грунтов». - 2011. - №2.

8. Синицын А.О., Лосет С. Прочность мерзлой засоленной супеси в условиях трехосного сжатия при больших скоростях деформирования // «Основания, фундаменты и механика грунтов». - 2011.

9. Sinitsyn А.О., L0set S. Equivalent cohesion of frozen saline sandy loams at temperatures close to their freezing point. Soil Mechanics and Foundation Egineering, Vol. 47, №2, May 2010, Pp. 68-73.

10. Sinitsyn A.O., Loset S. Obtaining the resistance of plastic frozen grounf under pile driving by jacking. Soil Mechanics and Foundation Egineering, Vol. 48, №2, May 2011, Pp. 79-85.

11. Sinitsyn A.O., L0set S. Strength of frozen saline silt under triaxial compression with high strain rate. Soil Mechanics and Foundation Egineering,

2011.

Типография ООО «Наша Марка» 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 1,0 п. л. Тираж 100. Заказ 11.

Определения и пояснения.11

Условные обозначения.12

глава 1. проблемы при строительстве свайных фундаментов зданий и сооружений в условиях мерзлых засоленных грунтов.14

1.1. основные типы сооружений на свайных фундаментах на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей.14

1.2. Грунты побережий и шельфовых зон Арктических морей.14

1.3. Строительство свайных фундаментов в условиях пластично-мерзлых грунтов.16

1.3.1. Производство сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых грунтов.16

1.3.1.1. Общие сведения.16

1.3.1.2. Опьп производства сваебойных работ для устройства фундаментов на пластично-мерзлых грунтах. 17

1.3.1.3. Рекомендации по производству сваебойных работ на основаниях пластично-мерзлых фунтов.18

1.3.1.4. Методики расчета характеристик процесса погружения свай в пластично-мерзлые фунты.18

1.3.1.5. Натурные исследования для производства сваебойных работ в основаниях пластично-мерзлых грунтов.20

1.3.2. Расчет свайных оснований в условиях пластично-мерзлых грунтов.21

1.4. физические и механические свойства пластично-мерзлых грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов.22

1.4.1. Физические свойства мерзлых грунтов.22

1.4.2. Основные представления о механических характеристиках мерзлых грунтов.23

1.4.2. Изученность предельно-длительных механических характеристик мерзлых засоленных грунтов .23

1.4.3. Изученность условно-мгновенных механическгсх характеристик мерзлых грунтов.25

1.5. ПОСГАНОВКА целей.27

глава 2. методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые грунты при строительстве свайных фундаментов.28

2.1. основные положения метода.28

2.2. Методы определения параметров для расчетов свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах.32

2.2.1. Метод вдавливания сферического штампа.32

2.2.2. Метод трехосного сжатия с постоянной скоростью деформирования.37

глава 3. свойства пластично-мерзлых грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов.39

3.1. Порядок подготовки образцов для испытаний.39

3.1.1. Отбор грунта.39

3.1.2. Подготовка массивов.40

3.1.3. Подготовка цилиндрических образцов.41

3.1.4. Физические свойства образцов.42

3.1.4.1, Определение основных физических свойств.42

3.1.4.2. Методика определения температуры начала замерзания.42

3.1.4.3. Методика определения содержания лсгкорастворимых солей.44

3.1.4.4. Результаты определения физических свойств грунтов.44

3.2. Оборудование для проведения испытаний.46

3.2.1. Характеристика лабораторного оборудования.46

3.2.2. Характеристика сферического штампа.47

3.2.3. Характеристика камеры трехосного сжатия.48

3.3. Характеристики и результаты испытаний.50

3.3.1. Вдавливание сферического штампа в массив грунта основания (супесь «Серии 1»).50

3.3.1.1. Проведение испытаний.50

3.3.1.2. Характеристики испытаний.52

3.3.1.3. Особенности обработки опытных данных для определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления.52

3.3.1.4. Результаты определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.55

3.3.1.5. Результагы определения зависимости общего модуля деформации от времени пластично-мерзлых и охлажденных грунтов свайных оснований.„.56

3.3.1.6. Результаты определения длительных значений механических параметров пластично-мерзлых и охлажденных грунтов свайных оснований.58

3.3.2. Вдавливание сферического штампа в цилиндрические образцы грунтов оснований (супесь и суглинок «Серии 3»).61

3.3.2.1. Проведение, характеристики испытаний.61

3.3.2.2. Результаты определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления пластично-мерзлых грунтов оснований.62

3.3.2.3. Результаты определения зависимости общего модуля деформации от времени пластично-мерзлых грунтов оснований.64

3.3.2.4. Результаты определения длительных значений механических параметров пластично-мерзлых грунтов оснований.65

3.3.3. Анализ результатов, полученных методом вдавливания сферического штампа в пластично-мерзлые и охлажденные грунты оснований.68

3.3.4. Трехосное сжатие образг\ов пластично-мерзлых грунтов свайных оснований.70

3.3.3.1. Проведение испытаний.70

3.3.3.2. Результаты трехосного сжатия образцов пластично-мерзлых грунтов свайных оснований.71

3.3.3.3. Анализ результатов, полученных методом трехосного сжатия.75

глава 4. определение усилий вдавливания свай при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах.80

4.1. Влияние скорости внедрения сваи на усилие вдавливания в пластично-мерзлых грунтах оснований.80

4.2. Влияние геометрических размеров сваи на усилие вдавливания при строительстве свайных фундаментов.84

4.3. Влияние изменчивости механических характеристик грунтов в диапазоне температур начала замерзания на усилие вдавливания свай при строительстве свайных фундаментов.85 выводы.88

Список литературы Приложение I Приложение 2

Введение

Актуальность исследований. С каждым днем Арктика занимает все большее место в жизни человечества. С арктическими территориями связано много* надежд - это попытки понять явления глобального потепления, разработать обширные месторождения полезных ископаемых, шире использовать транспортные коридоры.

Для решения этих задач требуется строительство и реконструкция различных сооружений, в том числе гидротехнических, на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей, которые характеризуются сплошным распространением отрицательно температурных засоленных осадочных толщ. Прибрежные зоны, как правило, сложены грунтами в пластично-мерзлом и даже охлажденном состоянии (Аксенов, 2008). При строительстве сооружений в Арктике широко применяются сваи. Для обоснования строительства свайных фундаментов в условиях мерзлых засоленных грунтов требуется эффективное производство сваебойных работ и правильная оценка несущей способности грунтов оснований.

Опыт сваебойных работ на территории России, США и Канады свидетельствует о принципиальной возможности устройства свайных фундаментов способом забивки в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов (Цытович, 1973; Weaver, 1979; Гончаров, Таргулян, 1980; Сгогу, 1982; Nottingham, 1983). Забивка может быть реализована с помощью метода погружения свай вдавливанием. Однако в литературе практически отсутствуют теоретические разработки и количественные характеристики процесса погружения свай в мерзлые грунты, поэтому требуется разработка методики для расчета процесса погружения свай.

Известно (Цытович, 1973), что сваи, погруженные способом забивки в пластично-мерзлый грунт обладают повышенной несущей способностью по сравнению с несущей способностью, рассчитанной по нормативным документам для этого же вида грунта. Однако, до настоящего времени, как в отечественной, так в зарубежной литературе, отсутствует банк данных, позволяющий назначить расчетные характеристики грунтов при температуре, близкой к началу замерзания грунтовой влаги. Так в СНиП 2.02.04-88 сопротивление сдвигу по поверхности смерзания приведено для отрицательной температуры ниже -0,3°С. Остается проблемным вопрос о назначении расчетных прочностных характеристик при более высокой температуре.

Проблемы производства сваебойных работ и определения несущей способности свай в условиях мерзлых засоленных грунтов определяют актуальность цели диссертации, которой являлось обоснование строительства свайных фундаментов, в том числе морских гидротехнических сооружений, в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, для этого требовалось:

1) создание методики определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, экспериментальное определение параметров для расчетов;

2) экспериментальное определение физико-механических характеристик мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений, необходимых для расчетов несущей способности свайных фундаментов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов подбора оборудования для погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Выполнить анализ достаточности информации о свойствах грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Разработать и обосновать методику определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, обосновать параметры, необходимые для расчетной методики.

4. Разработать программу экспериментальных исследований для получения недостающих физико-механических параметров грунтов.

5. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования грунтов и установить требуемые для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах физико-механические характеристики.

6. Произвести, расчеты оснований в соответствии с предложенной методикой и выявить основные факторы, влияющие на процесс погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

7. Для расчета несущей способности оснований на основе экспериментальных данных получить длительные значения деформационно-прочностных характеристик пластично-мерзлых и охлажденных грунтов. Научная новизна работы

1. Предложено обоснование строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах на основе методики расчета усилий при погружении свай и данных для оценки несущей способности грунтов.

2. Впервые определено существенное влияние скорости погружения на усилие вдавливания сваи в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, и даны рекомендации по оптимизации технологии задавливания свай при строительстве фундаментов.

3. Для обоснованрш и оптимизации производства работ при строительстве свайных фундаментов впервые на оригинальном оборудовании проведены исследования пластично-мерзлых и охлажденных грунтов в условиях трехосного сжатия с высокой скоростью деформирования.

4. На уникальном оборудовании проведены исследования мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений методом вдавливания шарикового штампа.

5. Исследована несущая способность оснований, представленных пластично-мерзлыми и охлажденными грунтами в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей.

Достоверность результатов расчетов усилий для- погружения свай вдавливанием обеспечивается использованием стандартного приема сложения динамического лобового сопротивления свай и сопротивления трению - по боковой поверхности. При этом предполагается, что лобовое сопротивление оказывает мерзлый грунт, а боковое происходит по талому грунту. При определении динамического лобового сопротивления использовались стандартные методики и формула СНиП 2.02.04-88. Определение свойств грунтов, необходимых для расчета несущей способности свай проведено по стандартизированным методикам, рекомендованным СНиП 2.02.04-88 и изложенным в ГОСТ и ГОСТ 1224896. Полученные результаты обработки опытов не противоречат интерполяции известных значений в исследованную область температур и засоленностей.

Практическая значимость работы

1. Для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах разработана методика расчета погружения свай методом вдавливания.

2. Для предложенной методики получены расчетные характеристики мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Проведенные исследования трехосного сжатия позволяют оптимизировать производство сваебойных работ и создают основу для разработки математической модели деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

4. Для обоснования возведения свайных фундаментов расширена область оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей по сравнению со СНиП 2.02.04-88 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Личный вклад автора

1. Впервые проведен сбор, детальный анализ и обобщение основных российских и зарубежных литературных данных и авторских рекомендаций о производстве сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов и систематизация механических свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

2. Автором лично разработана методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, выявлены параметры грунтов, необходимые для обоснования строительства свайных фундаментов.

3. В ходе выполнения диссертационной работы автор усовершенствовал методики подготовки и испытаний образцов с использованием оригинального оборудования, получил требуемые деформационно-прочностные параметры пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.

4. Автором сформулированы и обоснованы предложения по оптимизации процесса погружения свай для строительства фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

Апробация работы

Основные защищаемые положения диссертации апробированы на XXXVI, XXXVII, XXXVIII Неделях науки СПбГПУ: Материалы Всероссийских межвузовских научно-технических конференций студентов и аспирантов, г. Санкт-Петербург (2007, 2008, 2009), тезисы докладов отмечены дипломами конференций; на 9-ой Международной конференции и выставке по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ RAO/CIS Offshore 2009 г. Санкт-Петербург (2009) статья доклада «Исследования механических характеристик мерзлых грунтов побережий Арктических морей» отмечена дипломом конференции; на 5-ой Норвежско-российской арктической шельфовой конференции «Совместные исследования и инновации для нефтегазовой промышленности в Арктике», г. Мурманск (2010).

Основные результаты-диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в трех по перечню ВАК.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех-глав, выводов,,двух приложений и списка литературы, содержащего Г12 наименований. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков, 24 таблицы и 24 формулы.

Защищаемые положения:

1. Методика определения усилий для вдавливания свай при строительстве фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Обоснование факторов, влияющих на сопротивление грунта, напряжения в свае и мощность сваебойного оборудования при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Экспериментальные данные для оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов и их математического моделирования в области значительных фазовых превращений, требуемые в предложенной методике.

4. Оценка длительных деформационно-прочностных ' свойств, необходимых для определения несущей способности оснований, сложенных пластично-мерзлыми и охлажденных грунтами, в диапазонах температур и засоленностей, не охваченных СНиП 2.02.04-88 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору кафедры «Гидротехническое строительство» инженерно-строительного факультета СПбГПУ Карлу Натановичу Шхинеку за руководство и помощь в выполнении данной работы; доктору, профессору морских Арктических технологий NTNU/UNIS Свейнунгу Лосету; зав. лаб. «Инженерная геология» ВНИИГ им. Веденеева, к.г.-м.н. Н.Ф. Кривоноговой; д.ф.-м.н., профессору UNIS/NTNU A.B. Марченко, д.т.н., профессору в области механики льда и морских технологий NTNU К. Хойланду; д.т.н., профессору СПбГПУ A.JI.

Гольдину; профессору NTNU JI.O. Гранде; заведующей библиотекой UNIS Берит Якобсен, магистру СПбГПУ М. Юровой за неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры «Гидротехническое строительство» и кафедры «Основания и фундаменты, подземные сооружения» Инженерно-строительного факультета СПбГПУ, всем сотрудникам UNIS за внимание к работе и критические замечания.

Определения и пояснения

Больверк - тонкая подпорная стенка;

Длительная прочность — прочность, снижающаяся во времени от мгновенного до предельно-длительного значения, при длительном воздействии нагрузок;

Кривая ползучести - зависимость прочности от времени;

Мерзлый грунт - грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своем составе лед;

МГТС - морские гидротехнические сооружения;

ММП - многолетнемерзлые породы;

Область значительных фазовых превращений - область отрицательной температуры, изменение количества незамерзшей воды Ww в которой на 1°С составляет 1% и более (по отношению к весу высушенного грунта); Охлажденный грунт - грунт, имеющий относительную температуру в диапазоне 1-1,33;

Пластично-мерзлый грунт - грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью, и имеющий относительную температуру в диапазоне 1,33 - 1,5;

Ползучесть - процесс развития деформаций во времени даже при постоянной нагрузке;

Релаксация - снижение напряжения в грунте до величины, необходимой для поддержания постоянной деформации;

Реологическая кривая - зависимость скорости деформации от напряжения; CMC - сезонномерзлый слой;

Условные обозначения а - радиус сваи;

А — площадь опирания сваи на грунт;

4г/,г - площадь поверхности смерзания /-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи; С - сцепление; с {t) - эквивалентное сцепление за период времени t; ceq(,mt) ~ условно-мгновенное эквивалентное сцепление; с (св) - предельно-длительное эквивалентное сцепление;

D - диаметр сферического штампа; Е - модуль деформации;

Edm - полезная работа снаряда при погружении сваи на любую глубину; Egr — работа сил сопротивления грунта внедрению сваи; Еы — общий модуль деформации; F - площадь поперечного сечения сваи; Fu - несущая способность основания; fDl - динамическое удельное сопротивление по боковой поверхности для г'-го слоя; h - глубина заложения подошвы фундамента; к — коэффициент, учитывающий комплексное влияние факторов (различие молотов, несовершенство определения характеристик грунта и др.); /, — глубина /-го слоя. nt — число ударов молота для пробивки /-го слоя грунта; Nj— число ударов, необходимое для пробивки разнородных слоев грунта; Ршт - усилие, необходимое для погружения сваи на заданную глубину /; Pi - динамическое сопротивление /-го слоя грунта;

Pti — динамическое лобовое сопротивление для /-го слоя; Psi - сопротивление по боковой поверхности для /-го слоя; Р - постоянная нагрузка на сферический штамп; R — расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи; RDi — динамическое удельное лобовое сопротивление для i-ro слоя; г - расстояние по радиусу от центра скважины; S, - осадка штампа за период времени t ; t - время;

U - заданное перемещение на внутренней поверхности скважины; и - периметр сваи;

Wtot - суммарная влажность мерзлого грунта; скорость деформирования; - удельный вес грунта; v — коэффициент Пуассона; в— температура грунта; вь/ - температура начала замерзания грунта; в I вbf - относительная температура грунта; а - напряжение в свае от статической нагрузки; та11 - допускаемое напряжение в свае при статическом воздействии; ап - нормальное напряжение; tgç> - коэффициент внутреннего трения; р - угол внутреннего трения;

Выводы

1. Впервые был проведен сбор и детальный анализ основных российских и зарубежных литературных данных, посвященный производству сваебойных работ в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах. В результате, была показана принципиальная возможность погружения свай способом забивки (вдавливания) в такие грунты, необходимость обоснования практической реализации данного способа потребовала разработки расчетной методики.

2. Для оптимизации устройства свайных фундаментов различных, в том числе морских гидротехнических сооружений, на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, предложена методика оценки сопротивления грунтов при погружении свай методом вдавливания и значения деформационно-прочностных параметров мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Исследования показали, что основными параметрами для расчета погружения свай методом вдавливания на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах являются значение модуля1 упругости и его изменение в зависимости от времени, условно-мгновенное сцепление, геометрические размеры сваи и отношение диаметра сваи к диаметру лидерной скважины.

4. Для определения оптимальных режимов работы сваебойного оборудования проанализировано влияние скорости деформирования на механические свойства пластично-мерзлых грунтов. Выявлено, что увеличение скорости деформирования приводит к значительному росту сопротивления грунта, напряжений в свае и мощности требуемого сваебойного оборудования.

5. Для обоснования строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах определены необходимые деформационно-прочностные параметры данных грунтов, которые требуются для подбора технологического оборудования и расчета несущей способности свайных фундаментов.

6. Расширена область оценки деформационно-прочностных свойств пластично-мерзлых и охлажденных грунтов по сравнению со СНиП 2.02.0488 и Рекомендациями ФГУП ПНИИИС, 2001 г.