автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Определение несущей способности фундаментов в пробитых скважинах полевыми методами (на примере глинистых грунтов центрального региона Украины)

од

КИЇВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ГЕРГЕЛЬ ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 624.131

ВИЗНАЧЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ ФУНДАМЕНТІВ У ПРОБИТИХ СВЕРДЛОВИНАХ ПОЛЬОВИМИ МЕТОДАМИ (на прикладі глинистих грунтів центрального регіону України)

05.23.02 - Підвалини та фундаменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ -1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі основ та фундаментів Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Винников Юрій Леонідович доцент кафедри основ та фундаментів Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук , професор Кримський Микола Михайлович Національний університет ім. Т.Шевченка, професор кафедри гідрогеології та інженерної геології.

- кандидат технічних наук, доцент Цимбал Сергій Йосипович,

Київський державний університет

будівництва і архітектури,

доцент кафедри основ та фундаментів.

Провідна установа - Інститут « Донецький ПромбудНДІпроект » відділ промислових будівель та споруд, лабораторія основ та фундаментів

Захист відбудеться " 10 " червня 1998 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.056.05 Київського державного технічного університету будівництва і архітектури по спеціальності

05.23.02 "Підвалини та фундаменти" за адресою: 252037, м. Київ, вул. Повітрофлотський проспект, 31, КДТУБіА, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського державного технічного університету будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий " -?*' 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. У "Рекомендаціях II Української науково. технічної конференції з питань механіки грунтів та фундаментобудування", яка відбулася 1995 році в Полтаві, пропонувалось: "Проектним та будівельним організаціям України застосовувати у практиці найбільш надійні, ефективні та апробовані методи підготовки основ для яких є відповідні нормативні документи". Саме до таких належить спосіб зведення фундаментів у пробитих свердловинах. Він дає змогу майже повністю вилучити земляні та опалубочні роботи, знизити витрати бетону в 1.2-2 рази, металу - в 1.5-4 рази, вартість і трудомісткість - у 1.5-2 рази, прискорити зведення нульового циклу в 1.5-2 рази в порівнянні з фундаментами, що виготовляють з вийманням грунту та фундаментами із забивних паль.

Як показала практика проектування та будівництва, методики визначення несучої здатності цих фундаментів за результатами їх статичних і динамічних випробувань та за даними статичного зондування грунту ще не досить досконала. Це є певною перепоною на шляху більш широкого впровадження цього ефективного способу зведення фундаментів у практику фундаментобудування. Наведені аргументи обгрунтовують актуальність наукових досліджень у даному напрямку.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота здійснювалась у відповідності до етапів цільової комплексної програми "Аналіз впровадження в будівництво фундаментів у пробитих свердловинах в умовах лесових просідаючих грунтів з урахуванням строків експлуатації об'єктів" Держкоммістобудування України (Лист №17-4/14-117 від 23.06.95).

Метою дисертаційної роботи є удосконалення польових методів визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах, а саме за даними статичних і динамічних випробувань та статичного зондування грунтів розширеним наконечником.

Для досягнення зазначеної мети поставлені такі задачі:

- проведення комплексних експериментальних досліджень фундаментів у пробитих свердловинах, у т.ч. їх роботи під дією вертикального навантаження;

- розробка інженерного методу визначення несучої здатності цих фундаментів за результатами їх статичних випробувань;

- удосконалення методу визначення несучої здатності фундаментів у

пробитих свердловинах за даними статичного зондування грунту розширеним наконечником; ,

- розробка експрес-методу визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах шляхом їх динамічних випробувань;

- розробка нових, найбільш універсальних механізмів та технологій зведення фундаментів у пробитих свердловинах.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

- у натурних умовах встановлені параметри глинистих грунтів, у т.ч. з урахуванням їх властивостей деформаційної та міцностної анізотропії, "зони впливу" фундаментів у пробитих свердловинах;

- одержані дані за результатами числового моделювання напружено-деформованого стану глинистої основи фундаментів у пробитих свердловинах;

- розроблена методика визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах за результатами їх статичних випробувань, яка враховує особливості грунтів, параметри фундаментів і напружено-деформований стан основи;

- розроблено метод визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах за даними статичного зондування грунту розширеним наконечником, який враховує особливості геометрії фундаментів, характер деформацій в їх основі та опір грунту зонду;

- розроблено динамічний метод визначення несучої здатності цих фундаментів, в основу якого покладено формулу М.М.Герсеванова та емпіричні коефіцієнти, які залежать від ефективності удару трамбівки.

Практичне значення роботи полягає в розробці та впровадженні у практику проектування і будівництва методики визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах за результатами їх статичних і динамічних випробувань та статичного зондування глинистих грунтів, що дозволить більш повно використовувати несучу здатність фундаментів. Це знайшло своє відображення при складанні "Посібника з проектування та зведення фундаментів у пробитих свердловинах, (до СНиП 2.02.03-85) К,-1997". Розроблена "Регіональна технологічна карта на виготовлення фундаментів у пробитих свердловинах". Розроблені нові конструкції розширеного наконечника для статичного зондування грунтів та обладнання і технології для виготовлення цих фундаментів, що захищено 8 патентами України та 1 позитивним рішенням на винаходи та промислові зразки.

Реалізація роботи. Результати досліджень автора використані в системі ВАТ "Полтавсільбуд", МП "ЕКФА", МП "Бірюза" при проектуванні та зведенні 9-ти поверхових житлових будинків в м.Полтаві, 5-ти поверхових у смт. Кобеляки та Опішні, Загальний економічний ефект від впровадження вказаних розробок склав 272.44 тис. грн. (в цінах 1997р).

Особистий внесок здобувача представлено:

- результатами комплексних експериментальних досліджень фундаментів у пробитих свердловинах;

- удосконаленням інженерного методу визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах за результатами їх статичних і динамічних випробувань та статичного зондування грунту;

з

- новою конструкцією розширеного наконечника для статичного зондування грунтів і дослідженнями взаємодії його з глинистою основою;

- новим обладнанням та способами зведення фундаментів;

- впровадженням результатів досліджень в практику будівництва.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались на: II і

III Українських науково-технічних конференціях з питань механіки грунтів та фундаментобудування (Полтава, 1995р.,Одеса, 1997р); V Міжнародній конференції з проблем пальового фундаментобудування (Тюмень,1996р.); 5ій міжнародній конференції "Modem Building Materials, Structures and Techniques" (Вільнюс, 1997p); Російській конференції з механіки грунтів і фундаментобудування (Санкт-Петербург, 1995р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції "Актуальні проблеми водного господарства" (Рівне, 1997 p.); І Всеукраїнській науково-практичній конференції "Прогресивні технології та машини для виробництва будматеріалів, виробів і конструкцій" (Полтава, 1996 р.);

І Азербайджанській конференції "Науково-технічний прогрес у будівництві та архітектурі" (Баку, 1994 p.); 45-49 -ій наукових конференціях ПДТУ (19931997 pp.); кафедрі основ та фундаментів Київського ДТУБА (1998 р).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 22 друкованих праці у т. ч. 8 патентів і 1 позитивне рішення на винаходи та промислові зразки.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списка використаних джерел з 157 найменувань та 5 додатків. Вона містить 102 сторінок машинописного тексту, 50 рисунків, 22 таблиці.

Основний зміст

У вступі обгрунтована актуальність, наукова новизна та практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан питань впровадження фундаментів у пробитих свердловинах (ФПС) в практику проектування та будівництва, існуючих методик визначення їх несучої здатності за результатами статичних і динамічних випробувань та статичного зондування грунту, сформульовані мета та задачі досліджень. ;

Значний внесок у розробку та впровадження фундаментів у попередньо влаштованих порожнинах зробили організації України: НДІБК, НДІБВ, Дніпропетровський, Київський, Одеський, Полтавський ІБІ; СНД: ВНДІОСП, БашНДІбуд, СибЗНДІЕП, ЦЩЦЕПсільбуд, НВО "Белбуднаука", ДальНДІБ, Воронезький, Санкт-Петербургський, Ростовський ІБІ, Пермський ДТУ та інші, а також українські вчені: І.П.Бойко, В.М.Голубков, М.С.Грутман,

А.І.Догадайло, М.Ф.Друкований, М.П.Дубровський, М.Л.Зоценко,

С.М.Клєпіков, М.В.Корнієнко, М.М.Кризський, М.С.Метелюк, О.О.Петраков, Є.В.Платонов, Д.А.Романов, С.В.Романов, С.А.Слюсаренко, Л.М.Тімофєєва, Ю.Ф.Тугаєнко, Г.І.Чорний, В.Б.Швець, А.В.Школа та інш. і спеціалісти СНД: Ю.МАбелєв, ЮА.Багдасаров, А.О.Бартоломей, Б.В.Бахолдін, В.І.Биков, Ю.В.Власов, Б.В.Гончаров, А.Л.Готман, Я.Д.Гільман, В.С.Глухов, А.О.Григорян, Б.І.Далматов, Ю.М.Козаков, В.І.Крутов, Ф.К.Лапшин,

А.В.Пілягін, В.Ю.Сеськов, В.І.Федоров, О.К.Югай та інш.

ФПС відрізняються високим ступенем використання несучої здатності основи внаслідок формування в ній зони ущільненого грунту за рахунок витиснення його в об'ємі трамбівки та втрамбованого матеріалу розширення. Але як показав патентний пошук при цьому лише незначна частина сучасних розробок спрямована на універсалізацію обладнання та технології їх зведення. Практично апробовані методи розрахунку ФПС, що використовують теорії лінійно- та нелінійно-деформованого середовища, граничної рівноваги, числове моделювання та аналітичну побудову кривих 3=/(Р). Шлях підвищення їх достовірності полягає в експериментальному дослідженні закономірностей зміни фізико-механічних характеристик грунтів у межах "зони впливу" фундаментів, у т.ч. з використанням для цього експрес-методів статичного зондування та пенетрації.

Можливість використання анізотропної моделі грунту для вирішення певних задач взаємодії фундаментів з грунтовим середовищем вже розвинена в роботах І.П.Бойка, О.К.Бугрова, О.І.Голубєва, М.Н.Гольдщтейна, В.В.Ковтуна,

А.П.Криворотова, В.В.Лушнікова, Ю.О.Соболєвського, Л.М.Тімофєєвої, С.В.Тіунова, С.Й.Цимбала, Г.І.Чорного, О.В.Школи, Л.М.Шутенко, В.Б.ПІвеця,

Н.С.Швець, Л.Бардена, А.Казагранде, Ю.Лока, Д.Магнана, Х.Сіда та інш.

Для практичного дослідження ФПС раціонально використовувати статичні випробування їх у режимах ступенево-зростаючого, циклічного ступенево-зростаючого чи при постійній швидкості зростання навантаження, найдостовірніший з яких слід визначити експериментальним шляхом. Інші режими технічно складні, або занадто тривалі. Є необхідність розробки конкретно для цих фундаментів критерію оцінки несучої здатності за результатами їх статичних випробувань, який би враховував особливості грунтів, параметри фундаментів і фактичний НДС основи.

Метод статичного зондування грунту дає можливість оцінити несучу здатність фундаментів ущільнення, дати кореляційну оцінку механічних властивостей грунтів та контролювати їх ущільнення. В його розробку великий внесок зробили І.П.Бойко, Г.К.Бондарік, Л.М.Воробков, В.М.Голубков, Б.В.Гончаров, А.Л.Готман, В.А.Дуранте, М.Л.Зоценко, Г.С.Колєснік, Ф.К.Лапшин, О.О. Луга, Л.Г.Маріупольський, М.О.Метс, Г.В.Міткіна, А.А.Обо-довський, В.Ф.Разорьонов, І.Б.Рижков, Ю.Г.Трофіменков, В.І.Ферронський,

В.А.Ярошенко, Х.Бегеман, Б.Бромс, А.Кензі, Г.Меєргоф, Г.Санглера, К.Терцагі та інш. Статичне зондування грунту розширеним наконечником у порівнянні з методами ГОСТ 20069-81 дозволяє з більшою ефективністю використовувати статичне зусилля та підвищити точність визначення показників слабких грунтів. Перспективними напрямками дослідження ФПС цим методом є: 1) визначення параметрів грунту природного складу та в межах "зони впливу" фундаменту на основі рівняння взаємозв'язку між фізичними та механічними властивостями грунтів; 2) визначення несучої здатності фундаментів шляхом уточнення перехідних коефіцієнтів від опору грунту конусу до його опору під розширенням та за бічною поверхнею стовбура.

Для практичного визначення несучої здатності ФПС можливо удосконалити динамічні методи слідуючих груп: 1) в яких визначається енергія останнього удару трамбівки або сумарна енергія всіх ударів, що витрачаються на пробивання свердловини та втрамбовування жорсткого матеріалу; 2) в яких підраховується загальна кількість ударів трамбівки; 3) в яких два різні значення відказів отримують скиданням трамбівки з різних висот; 4) які створені на основі формули М.М.Герсеванова.

Другий розділ присвячено експериментальним дослідженням ФПС при їх статичних випробуваннях. В результаті лоткового та натурного експерименту було доведено, що “швидкі“ методи цих випробувань у режимах ступенево-зростаючого, циклічного ступенево-зростаючого та постійної швидкості зростання навантаження дають завищення несучої здатності ФПС з розширенням через відсутність “зриву” графіку S—f(P). Тому дослідження несучої здатності цих фундаментів статичним випробуванням, на 35 експериментальних ділянках (Дніпропетровська, Полтавська, Сумська, Харківська та Черкаська обл.), виконано в режимі ДСТУ Б В.2.1-1-95. Дослідні фундаменти виконувались за допомогою навісного обладнання на базі екскаватора Е-10011 та пневмоколісного трактора Т-150К циліндричними трамбівками діаметром 425-530 мм, вагою 23-42 кН, які скидались з висоти 2.56.0 м. Глибина свердловин 1.55-7.0 м, а об'єм щебеню, втрамбованого в розширення, до 3.25 м3. Грунти ділянок - глинисті від твердих до текучопластичних з коефіцієнтом пористості Є =0.72-1.12. При випробуваннях зона достатнього ущільнення фундаментів спиралась на суглинки та супіски із ступенем вологості Sr > 0.8.

За натурними вимірами встановлено, що значення параметрів розширених і ущільнених зон ФПС слід встановлювати залежно від параметрів трамбівок, матеріалу розширення, фізичних властивостей природного грунту, а при відносній відстані між осями сусідніх фундаментів Ip/i/^,r=l-2, де lw -відстань між осями ФПС; d^r - діаметр поперечного перерізу розширення, ще й з урахуванням емпіричного коефіцієнту к^, що є функцією значення Іц/dfo .

Властивості грунту навколо фундаментів досліджувались пошарово при товщині кожного шару не більше 50 см. При цьому точки дослідження розташовувались на одинадцяти колах радіальних до вертикальної осі фундаменту. На кожному радіальному колі виконувалась пенетрація польовим динамометричним пенетрометром ПД-2М з конічним наконечником з кутом при вершині 30° та мікропенетрометром ВСЕГИНГЕО МВ-2 з конічним наконечником з кутами при вершині 30°та 17°40 у кожному з трьох напрямків під кутами (X = 0, 45 та 90° до горизонтальної площини (площини ізотропії) та відбори зразків грунту ріжучими кільцями для визначення його щільності, вологості, стисливості та опору зрушенню.

На рис.1 подані приклади квадрантів годографів механічних характеристик лесовидних суглинків: модуля деформації Е, питомого опору с, кута внутрішнього тертя (р та питомого опору пенетрації К - за напрямками <2 = 0, 45 та 90° до горизонтальної площини на різних відстанях від бічної поверхні ФПС. З рис.1 видно, що: а) біля бічної вертикальної поверхні фундаментів характерні більш високі значення механічних характеристик при а — 90, ніж при а = 0, та 45°, а їх значення при а = 45° найменші з трьох напрямків; б) біля нижньої нахиленої поверхні найбільші значення характеристики мають

при а~ 45°; в) під низом фундаментів, як і для грунту природного складу, значення механічних характеристик найбільші при а = 0°; г) із збільшенням відстані від фундаменту значення характеристик зменшуються та вирівнюються, а потім набувають свої природні значення; д) у міжфундаментному просторі зміна анізотропії аналогічна переходу від ущільненого грунту біля бічної поверхні фундаменту до грунту природного складу. Однак при відстані між осями сусідніх фундаментів меншій трьох діаметрів їх поперечного перерізу природні значення коефіцієнтів анізотропії не зафіксовані.

Отже, характер і закономірності первинної деформаційної анізотропії та анізотропії міцності визначаються природною будовою грунту, а вторинної (наведеної) - ще й напрямом його витиснення трамбівкою чи розширенням і розмірами міжфундаментного простору. Існує досить тісний взаємозв’язок між питомим опором пенетрації, щільністю сухого грунту та вологістю грунту за всіма напрямами відносно горизонтальної площини в межах ущільненої зони і за нею, який встановлено в межах загального рівняння взаємозв'язку

В.Ф.Разорьонова при коефіцієнтах кореляції г=0.84-0.96 та варіації у=0.09-0.2. Для дослідження грунтів з анізотропними властивостями запатентовано та виготовлено наконечник для пенетрації грунтів у вигляді гострої чотиригранної піраміди, взаємодія якого з грунтом відбувається лише за поверхнями робочих граней (патент № 1473).

Рис. 1. Приклади квадрантів годографів механічних характеристик грунту: а - біля стовбура та розширення фундаментів у пробитих свердловинах; б - біля нижньої нахиленої поверхні розширення; в -на 0.5 м нижче розширення; г - в просторі між стовбурами фундаментів (/ цг= 1.8 м). г - відстань від бічної поверхні фундаментів, м

Порівняльний аналіз результатів числового моделювання роботи ФПС з використанням пружно-пластичної моделі грунту та їх статичних випробувань дозволив оцінити характер розвитку зон пластичних деформацій і розподіл напружень в основі відповідно до характерних точок графіків S=f(P). Моделювання роботи ФПС виконувалось з використанням вісесиметричної версії програми пружно-пластичного розрахунку геотехнічних конструкцій "Start", розроблену під керівництвом професора Д.М.Шапіро. Прийнята гео-механічна модель поєднує відомі рівняння теорій пружності і пластичності, які використовувалися окремо в розрахункових схемах сучасного проектування. Аналогічний набір фізичних рівнянь використовується в задачах і програмах

І.П.Бойко, O.K.Бугрова, О.ЛГольдіна та В.С.Прокоповича, О.Б.Фадєєва, голландській програмі PLAXIS. Процедурну основу розрахунку складає метод початкових напруг у сполученні з методом скінчених елементів. Приклад порівняння графіків S=f(P), побудованих за результатами числового моделювання та статичних випробувань ФПС пропонується на рис.2, а процес розвитку зон пластичних деформацій грунта навколо нього - на рис.З.

За несучу здатність ФПС, що відповідає нормативному опору грунту, Fjj умовно прийнято навантаження на них, що зафіксоване на стадії утворення під розширенням зон пластичних деформацій, які за глибиною не перевищують

0.25dfr , де dfo - діаметр розширення (при цьому залежність S—f(P) все ще досить близька до лінійної), а за несучу здатність, що відповідає граничному критичному навантаженню на грунт, - навантаження, яке викликає виникнення суцільних зон пластичних деформацій під розширенням,

глибиною, що перевищує його діаметр (при цьому залежність S-f(P) нелінійна,

а для основи фундаментів спостерігається вичерпання її несучої здатності або суттєві деформації осідань (S >5 см)). Згідно інженерному методу критерієм несучої здатності цих фундаментів за результатами їх статичних випробувань є їх осідання (см), які визначають за емпіричними формулами (що отримані за результатами багаточинникового аналізу): для FdI в залежності від коефіцієнту пористості е та показника текучості 1} грунту; а для F- ще й від площі поперечного перерізу розширення фундаменту Асг (м2):

S] =5.88- 4.69 е-1.15 lL . (1)

S2 =4.46-3.72 е- 0.741L + 2.16Acr . (2)

При цьому в формулі (1) коефіцієнт множинної кореляції г=0.87, а критерій Фішера F=4.04, що більше його табличного значення Fmaбл= 1.68 при рівні значущості р=5%, при числі ступенів волі V;=42 і Y2=40, а в формулі (2) г= 0.89, F= 4.78, що більше Fma6 = 2.09 при р=5% та v;= 23 і v2= 20. Відносна похибка визначення осідань Sj і звичайно не перевищує 20% від результатів експериментальних досліджень.

Навантаження,Р,кН

Рис. 2 Графіки розрахункових та експериментальних залежностей "навантаженняР - осідання 5": 1 - статичні випробування; 2 - числове моделювання

83 83 83

►Ж<ІЮЖ

ттшват

■ Умови П08ЧЯЧЄНЯЯ 2 к 2 /■

і ижіаони пластичних НІШ ДЄфорМвЦ?Й

Уи'птілгі

25і-2^ і

а б в

Рис.З Розвиток зон пластичних деформацій при навантаженнях: а - Р=400 кН; б - Р=600 кН; в - Р=700 кН; 1-стовбур; 2-жорстке розширення; 3-зона ущільнення

У третьому розділі викладено результати досліджень умов використання методу статичного зондування грунту розширеним наконечником для оцінки несучої здатності ФПС. Для цього розроблено наконечник із спіральною канавкою за поверхнею конуса, при зануренні якого відбувається повна заміна грунту попереднього шару на наступний за поверхнею конуса, завдяки чому подальше заглиблення наконечника в дослідний шар дає дійсні показники величини тертя "грунта по грунту" цього шару (патенти на винаходи № 1332, № 20696). Числове моделювання процесу зондування дозволило отримати якісний бік НДС грунту, що оточує наконечник. Розміри зони пластичних деформацій навколо наконечника склали до: 1.5к, де ¡г- висота наконечника, під вістрям; 6сі, де сі - його діаметр, за бічною поверхнею та 0.75/г вище наконечника.

За результатами статичного зондування грунту розширеним наконечником встановлено, що "зона впливу" ФПС складається з трьох областей: 1) випинання (або розущільнення), яка межує з поверхнею грунту та стовбуром фундаменту; 2) ущільнення - навколо стовбура та розширення; 3) перехідної -від ущільненої, до грунту в природному стані. Використання коефіцієнту зміни опору під наконечником к5 для грунту в природному стані та після утворення ФПС дозволяє наближено визначати розміри зон ущільнення та розущільнення грунту навколо нього.

Несучу здатність ФПС та за даними статичного зондування грунту пропонується визначати відповідно за формулами:

Рй1= 01я°вАсгЛо+О.О117и Я, Л,- 08і +6 и ІТї, 0$і. (3)

Ї=І /=1

Р¿2-®2Я$АСГ &0+ 0.0117и Я, Ьі 05І + 6 и 27ї/ 05і (4)

І=1 І=1

де Єї , ©2 та - коефіцієнти, що враховують характер деформацій в основі

фундаментів, значення яких встановлені за статистичним аналізом результатів

статичних випробувань ФПС та зондування грунту розширеним наконечником,

і які доцільно визначати за формулами:

01 = 764/(44О5+ц°5) (5)

при коефіцієнтах кореляції г= 0.82 та варіації у=0.22;

©2 = 1005/(4213 +ц°в) (6)

при коефіцієнтах кореляції г= 0.88 та варіації у=0.25;

0^=4328/(3850+яі) (7)

при коефіцієнтах кореляції 0.83 та варіації У=0.09;

Я^ та Я і ' відповідно опір грунту конусу на рівні низу розширення та кожного шару в межах ділянки /г, для якої слід враховувати опір грунту за

бічною поверхнею стовбура, (від верху стовбура до місця його перетину з поверхнею умовного конусу, що має за утворюючу лінію, яка є дотичною до межі розширення під кутом (р!Л до осі фундаменту, де (р- середнє арифметичне значення кута внутрішнього тертя грунту, що залягає в межах вказаного конусу), кПа; Я 0 та Д,- відповідно перехідні коефіцієнти для кожного шару грунту на рівні розширення та в межах ділянки к, що залежать від значення і типу грунту (визначається за графіками М.Л.Зоценко); и - периметр поперечного перерізу стовбура, м; - потужність кожного шару грунту в межах ділянки к, м.

Відносна похибка методу не перевищує 25%.

Четвертий розділ присвячено розробці динамічного методу визначення несучої здатності ФПС. Статистичні дані для аналізу впливу технологічних чинників на несучу здатність цих фундаментів отримані шляхом визначення відказів трамбівки при пробиванні свердловин і втрамбовуванні в розширення щебеню з подальшим статичним випробуванням цих фундаментів. В основі методу - формула М.М.Герсеванова, яка з позиції закону збереження енергії встановлює зв’язок між роботою по заглибленню трамбівки в грунт та опором грунту занурюванню фундаменту від дії статичного навантаження. Несучу здатність ФПС за результатами динамічних випробувань пропонується визначати за формулою:

йар ^0

де кр та к5 - коефіцієнти ефективності удару трамбівки відповідно при втрамбовуванні останньої порції щебеню в розширення та при пробивці свердловини на ділянці к (кр= кр1 для значення та кр= кр2 для - ),

які встановлюють за емпіричними формулами в залежності від відповідних значень ефективності вдару трамбівки (0Нр^ар) та (ОН5/8а5) :

кр1 = із.8тр/зар)-0-55 (9)

при коефіцієнтах кореляції г= 0.8 та варіації г—0.37;

кр2 = 12.18 (ОНр/в^)-0-49 (10)

при коефіцієнтах кореляції г= 0.81 та варіації у=0.36;

к$ = 6.22 (<0Е$/$ав) '°-78 (11)

при коефіцієнтах кореляції г= 0.99 та варіації у=0.04;

£) - вага трамбівки, кН; Нр та Н5 - висоти скидання трамбівки відповідно при втрамбовуванні щебеню в розширення та при пробивці свердловини, м; яар та ха5 - відкази трамбівки при втрамбовуванні останньої порції щебеню в розширення та при пробивці свердловини на глибину к, м; Лд-їм2.

Цей метод дозволяє контролювати несучу здатність ФПС безпосередньо на будівельному майданчику з відносною похибкою до 35%.

Таким чином, викладені методики для конкретного виду фундаментів у регіональних грунтових умовах дають можливість визначати їх несучу здатність із ділком задовільною для інженерних розрахунків точністю. Використання цих методик дозволяє при проектуванні додатково збільшувати навантаження на ФПС до 35% у порівнянні зі СНиП 2.02.03-85.

У п'ятому розділі викладаються особливості технології та економіки зведення ФПС. З метою розширення технологічних можливостей та універсалізації обладнання розроблені: пристрій для витрамбовування свердловин у грунті з одночасним хімічним закріпленням їх бічних стінок (патент № 15314); пристрій для пробивання свердловин у глинистих грунтах з вологістю менше оптимальної, який забезпечує зволоження їх у зоні контакту з трамбівкою (патент № 17956); пристрій (і спосіб) для пробивання вертикальних і скісних свердловин у грунті (патенти № 17101, №17072); пристрій для пробивання свердловин значної глибини (до 15-20 м) у малозв'язних водонасичених грунтах (патент № 20708); пристрій, що трансформується, для витрамбовування порожнин у грунті під ростверки та фундаменти (рішення про видачу патенту на винахід № 96030826).

В основу розробленої технологічної карти на виготовлення ФПС з використанням установки на базі трактора Т-150К з навісним обладнанням, екскаватора Д3-37 та автобетонозмішувача СБ-92-1А покладені формули визначення кількості ударів трамбівки для пробивки свердловин та втрамбовування в розширення щебеню в залежності від параметрів фундаменту (глибини свердловини та об'єму щебеня в розширенні), характеристик грунту (коефіцієнту пористості та його показника текучості) та технологічних параметрів (ваги трамбівки та висоти її скидання).

При зведенні фундаментів у грунтах з /3^>1.55т/мЗ та >0.8 для уникнення випирання грунту на поверхню апробована прохідка лідерної свердловини. При аналітичному ж визначенні їх несучої здатності, слід замість діаметру розширення вводити в розрахунки його приведений діаметр.

ФПС дають економію кошторисної вартості, матеріальних та енергетичних ресурсів і трудовитрат приблизно в 2 рази в порівнянні із забивними призматичними палями. Використання ФПС замість цих паль на 7 дев'яти-, та п'ятиповерхових житлових будинках дозволило досягти економії кошторисної вартості будівництва на 272 тис. гривень; скоротити витрати: сталі-124 т; бетону-251 т; умовного палива-255 т. Абсолютні та відносні осідання цих будівель за час зведення та експлуатації не перевищили нормативно допустимих величин.

13

Висновки

1. За результатами комплексних експериментальних досліджень фундаментів у пробитих свердловинах розроблена методика визначення параметрів їх розширених і ущільнених зон в залежності від параметрів трамбівок, матеріалу розширення, фізичних властивостей грунту та відносної відстані між осями фундаментів.

2. Характер і закономірності первинної деформаційної анізотропії та анізотропії міцності визначаються природною будовою грунту, а вторинної -ще й напрямом його витиснення трамбівкою чи розширенням при влаштовуванні фундаментів і розмірами міжфундаментного простору. Існує досить тісний зв’язок між питомим опором пенетрації, щільністю сухого грунту та вологістю грунту за всіма напрямами відносно горизонтальної площини в межах ущільненої зони і за нею. Встановлені закономірності підвищують точність призначення вихідних характеристик грунтів розрахункових областей при числовому моделюванні напружено-деформованого стану фундаментів у пробитих свердловинах.

3. Згідно розробленого інженерного методу, критерієм несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах за результатами статичних випробувань є їх осідання, яке визначають за емпіричними формулами: для несучої здатності , що відповідає нормативному опору грунту, в залежності від коефіцієнту пористості і показника текучості грунту; а для несучої здатності РЛ2 , що відповідає граничному критичному навантаженню на грунт, - ще й від площі поперечного перерізу розширення фундаменту. Використання методу дозволяє збільшувати навантаження на фундаменти до 35% у порівнянні зі СНиП 2.02.03-85.

4. Удосконалений метод визначення несучої здатності цих фундаментів за даними статичного зондування грунту розширеним наконечником враховує особливості геометрії фундаментів, характер деформацій в їх основі та опір грунту зонду. При цьому значення коефіцієнтів 0, що враховують характер деформацій в основі фундаменту, доцільно визначати за функцією дробового порядку в залежності від опору зондування. Відносна похибка методу не перевищує 20-25%

5. В основу розробленого динамічного методу визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах покладено формулу М.М.Герсеванова та емпіричні коефіцієнти, що за степеневою функцією залежать від ефективності удару трамбівки. Метод дозволяє швидко контролювати несучу здатність фундаментів безпосередньо на будівельному майданчику з відносною похибкою, що не перевищує 25-35 %.

6. Розроблено “Наконечник для пенетрації грунтів з анізотропними властивостями” та “Наконечник для зондування грунту”. Взаємодія першого з них з грунтом відбувається лише поверхнями робочих граней, а при зануренні другого відбувається повна заміна грунту попереднього шару на наступний за поверхнею конуса, завдяки чому подальше заглиблення наконечника в досліджуваний шар дає дійсні показники величини тертя "грунта по грунту" цього шару.

7. Розроблені та захищені 6 патентами України на винаходи нові, більш універсальні механізми та способи зведення фундаментів у пробитих свердловина: для витрамбовування свердловин у грунті з одночасним хімічним закріпленням їх бічних стінок; для пробивання свердловин у глинистих грунтах з вологістю менше оптимальної; для пробивання вертикальних і скісних свердловин у грунті; для пробивання свердловин значної глибини (до 15-20 м) у малозз’язних водонасичених грунтах; для витрамбовування порожнин у грунті під ростверки.

8. Результати роботи впроваджені в практику проектування та будівництва у вигляді “Посібника з проектування та зведення фундаментів у пробитих свердловинах” (до СНиП 2.02.03-85) та “Регіональної технологічної карти на виготовлення фундаментів у пробитих свердловинах”. В основу останньої покладено експериментально встановлені’ формули визначення кількості ударів трамбівки для пробивки свердловини та втрамбовування в розширення щебеню в залежності від розмірів фундаменту, характеристик грунту та технологічних параметрів. Економічний ефект від впровадження розробок автора при зведенні дев’яти- та п’ятиповерхових житлових будинків склав 272.44 тис. гривень.

Головні опубліковані праці за темою дисертації

1. Посібник з проектування та зведення фундаментів у пробитих свердловинах (до СНиП 2.02.03-85) / М.Л.Зоценко, Ю.Л.Винников, М.Л.Рубановський, О.М.Гергель та інш. - Державний комітет України у справах містобудування і архітектури - К.- 1997.- 72 с. (Визначення несучої здатності фундаментів польовими методами).

2. Регіональна технологічна карта на виготовлення фундаментів у пробитих свердловинах / М.Л.Зоценко, Л.Г.Єрісова, Ю.Л.Винников, О.М.Гергель. - Київ, Полтава: Державний комітет України у справах містобудування і архітектури, Полтавський ТУ,- 1997.- 15 с. (Підрахунок витрат праці та машинного часу, побудова графіків виконання робіт).

3. Винников Ю.Л., Гергель О.М., Лисенко І.М. Пропозиції по удосконаленню проектування набивних паль у пробитих свердловинах у складі

стрічкових фундаментів // Науковий вісник будівництва. Вип.1. Харків: ХДТУБА; ХОТВ АБУ.- 1997,- С. 112-113. (Натурні виміри та їх статистична обробка).

4. Зоценко M.JL, Винников Ю.Л., Гертель О.М. Статичне зондування грунтів при дослідженнях основ гідромеліоративних систем // Актуальні проблеми водного господарства. Збірник наукових статей. Т. 1. - Рівне.-1997.-

С. 42-45. (Винахідницькі розробки).

5. Винников Ю.Л., Гергель А.Н. Расчет фундаментов в пробитых скважинах на основе метода статического зондирования грунтов // Труды Российской конф. по механике грунтов и фундаментостроению "Механика грунтов и фундаментостроение".-Т. 1.-Санкт-Петербург.-1995.-С. 189-192. (Проведення експерименту і обробка його результатів).

6. Беда C.B., Гергель А.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированого состояния фундаментов, сооружаемых без выемки грунта //Труды V междунар. конф. по проблемам свайного фундаментостроения,-Т. 1. - Москва: Тюмень. - 1996,- С. 17-21. (Проведення математичного моделювання та аналіз його результатів).

7. Винников Ю.Л., Гергель А.Н., Лысенко И.Н. Исследование анизотропии лессовидных грунтов вокруг фундаментов в пробитых скважинах методом пенетрации // Труды 3 Украинской научн.-техн.конф. по механике грунтов и фундаментостроению "Механика грунтов и фундаментостроение".-Т. 2. - Одесса.- 1997.- С.277-278. (Польові та лабораторні дослідження, та інтерпретація їх результатів).

8. Zotsenko N., Vinnikov Yu., Gergel A., Lysenko I. Anisotropy Soil Strain Investigation of ({Influence Zone)) of Foundations in Punched Wells//Proceedings of 5th international conference ((Modem Building Materials, Structures and Techniques)).- Vol.II.- Vilnius: ((Technika)).- 1997. (Польові та лабораторні дослідження).

9. Гергель А.Н. Исследование зоны уплотнения грунта фундаментов в пробитых скважинах статическим зондированием //Сб. докладов II Украинской научн.-техн. конф. по механике грунтов и фундаментостроению. - Т. 1. -Полтава. - 1995. - С. 29-31.

10. Гергель А.Н. Определение несущей способности фундаментов в пробитых скважинах при наличии лидерной выемки // Сб. докладов

II Украинской научн.-техн. конф. по механике грунтов и фундаменто-строению. - Т. 3. - Полтава. -1996. - С. 47-49.

11. Патент на винахід № 17956 А, МПК E02D 3/046 Пристрій для пробивки свердловин у пилувато-глинистих грунтах з вологістю меншою за оптимальну. Винников Ю.Л., Гергель О.М. Дата подання 23.01.96. Дата прийняття рішення 17.06.97. Опубліковано 17.06.97.

16

АНОТАЦІЯ

Гергель О.М. Визначення несучої здатності фундаментів у пробитих свердловинах польовими методами (на прикладі глинистих грунтів центрального регіону України). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.23.02 - Підвалини та фундаменти. - Київський державний технічний університет будівництва і архітектури, Київ, 1998.

Виконані комплексні експериментальні дослідження фундаментів у пробитих свердловинах, у т.ч. з визначенням закономірностей деформаційної та міцностної анізотропії глинистих грунтів "зони впливу" цих фундаментів. Проведене числове моделювання в межах пружно-пластичної задачі напружено-деформованого стану основи цих фундаментів. Розроблені методики визначення несучої здатності фундаментів за результатами їх статичних і динамічних випробувань та статичного зондування грунтів розширеним наконечником, які враховують особливості грунтів, параметри фундаментів і фактичний напружено-деформований стан основи. Це дозволяє додатково збільшувати навантаження на них при проектуванні у порівнянні зі СНиП. Розроблені нові механізми та технології зведення фундаментів.

Ключові слова: фундамент у пробитій свердловині, несуча здатність, статичні випробування, статичне зондування, динамічні випробування, пенетрація, зона ущільнення, пружно-пластична задача, анізотропія.

АННОТАЦИЯ

Гергель А.Н. Определение несущей способности фундаментов в пробитых скважинах полевыми методами (на примере глинистых грунтов центрального региона Украины). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты. - Киевский государственный технический университет строительства и архитектуры, Киев, 1998.

Выполнены комплексные экспериментальные исследования фундаментов в пробитых скважинах, в т.ч. с определением закономерностей деформационной та прочностной анизотропии глинистых грунтов "зоны влияния" этих фундаментов. Выполнено численное моделирование в границах упругопластической задачи напряженно-деформованного состояния основания этих фундаментов. Розработаны методики определения несущей способности фундаментов за результатами их статических и динамических испытаний та

статического зондирования грунтов уширенным наконечником, которые учитывают свойства грунтов, параметры фундаментов и фактическое напряженно-деформированное состояние оснований. Это позволяет дополнительно увеличить нагрузку на них при проектировании в сравнении со СНиП. Разработаны новые механизмы и технологии возведения фундаментов.

Ключевые слова: фундамент в пробитой скважине, несущая способность, статические испытания, статическое зондирование, динамические испытания, пенетрация, зона уплотнения, упругопластическая задача, анизотропия.

ANNOTATION

Gergel О.М. Determination of Foundation Bearing Capacity in Wells Punched by Field Methods (as an Example - Clayey Soils of Central Region of Ukraine). Manuscript.

Dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences on Speciality

05.23.02 - Basements and Foundations. Kyiv State Technical University of Construction and Architecture, Kyiv, 1998.

Complex experimental investigations of foundation in punched wells including investigations with determination of conformity of deformation and stregth anisotropy of clayey soils of foundation influence zones were performed. Numerical simulation in limits of elastoplastic problem of stress-strain state of such foundations was performed. Technique of determination of foundation bearing capasity in a result of static and dynamic testings and soil static penetration by widened tip that take into account soil properties, foundation parameters and real stress-strain state of basements was worked out. It gives opportunity to increase additional load on them while designing in comparison with SNiP. New methods and technology of foundation building were worked out.

Keywords: foundations in punched wells, bearing capacity, static loading test, static penetration, dynamic testing, penetration, compaction zone, elastoplastie problem anisotropy.

Підписано до друку 29.04.98 р. Тираж 130 пр. Умов. друк, аркуш. 1.0 Формат 60x84 1/16

Віддруковано ТОВ «ТДС» м. Полтава, вул. Чапаева, З