автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Особенности совместной работы гидротехнических сооружений со свайными фундаментами в лессовых посадочных грунтах

1 д-$

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ШАШ1И ГЩР01.ШЯИОРАТ1ЁНЫЦ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АВДУЛ КРШ.1 САЖЩ РАДИ

УДК 626/327:324.15:324.131.2

ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОЙ РА1ЮТЫ ГЩРОТЕЖИЧЕШЕ СООРУЖЕНИЙ СО СВАЙНЫМИ ОУНДАШТАШ В ЛЕССОВЫХ ПР0САД0ЧН1Д ГРУНТАХ

05.23.07 - Гидротехническое н 1/елпоратгазнсе строительство

Автореферат диссертаций на соискание ученой огешглл кандидата технических наук

Москва'1992 г.

Работа выполнена на кафедре "Основания й фундаменты" Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института

Нау'шые руководители: кандидат технических наук, дог-шт

С.Г.ЮРЧЕНКО

кандидат физико-математических наук, доцент Э.ИЛОНДЖШ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.С.АЯГ/НШ

кандидат технических наук, доцент м С.Н.ПЕВАЧЕВ

Ведущая организация: Производственное объединение "СОЗ/ИТШЮД"

З^-ята диссертации состоится 1932 года

часов на заседашш специализированного Совета К 120.16.01 В Московском гидромелиоративном институте по е~г>есу: 12,Ъ50, ул.Прянлшникова, 19, .

С диссертацией можно ознакомил ся в библиотеке Московского гидромелиоративного института.

1Т рпзоелга;

Автореферат рпзоелгаг "¿>с<у " И- Глу^ > ЮЭ2 годп

Ученый секретарь ^ Специализированного Совета К 120.16.01 кандидат техгических наук

,' - 3 -

' ошая характеристика работы

Актуальность теш. В гидротехническом строительс.тве применяются некоторые типы водопроводящих и сопрягающих оооруженкл, такие как акведуки, дюкеры, лотковые каналы, трубопровода различного назначения, а также консольные перепада, низконапорные плотины, подпорные стенки, в процессе эксплуатации которых происходит постоянное замачивание грунтов основания. При строительстве, таких сооружений на лессовых просадочных грунтах, деформированное состояние которых в силу особого строения их структуры может быть вызвано не только внешней нагрузкой, но и вследствие изменения их физического состояния под влиянием увлажнения могут появиться такие большие деформации, что приведет к невозможности их эксплуатации или даже к потере устойчивости сооружения.

Одним из. споообов строительства гидротехнических сооруже-. ний на таких грунтах является устройство их на свайных фундаментах. Однако, опыт строительства'на просадочных грунтах.показал, что пока еще недостаточно изучен вопрос работы свай на лессовых просадочных грунтах с учетом явлений, связанных с работой свай на таких грунтах. Например, мало изученн так называемые "негативные" или "нагружающие", силы трения, возникающие на боковой поверхности сваи при осадке сколосвайнсго грунта и наорав-' ленные вертикально-вниз, вследствие зг :ачтания околосзаЯ.ого грунта и пригружающие сйаю. Изучение особенностей расчета несущей способности и осадок свай с учетом сил "негативного" или ."отрицательного" трения пр!^ строительстве гидротехнических со— оругений на лессовых просадочных. грунтах является поэтому ш<-туг;1ьнш.'.<

Дедь и задачи исследования. Цель настоящей диссертации заключается -в разработке метода расчета несущей способности и осадой свай с учетом сил негативного трения.при строительстве гидротехнических сооружений на лессовых просадочных грунтах.. Б соответствия с поставленной целью решались следующие основные задачи:- разработать' и проверить инженерный метод расчета'несущей способности и осадок овайных фунда! онтов гидротехнических сооружений, построенных 1: лессовых просадочных грунтах с учетом сил отрицательного трения; •

- осуществить и обосновать способы определения геханичес-кта характеристик грунта, требующихся для проведения такого расчета £

- сравнить результаты расчетов несущей способности И осадок свай по предлагаемой методике с экспериментальными данными.

Методика исследований. Поставленные задачи реыались проведением, в основном, теоретических исследований'с использование:] ЭВМ и г;огранм, написанных и отланеиьлх на алгоритмическом языке "ЕЕЙСЛК". Кроме того, провод$;лс;: ¿шализ экспериментальных данных, описанных в, технической литературе.

Гэучная новизна. В процессе теоретических исследований разработан метод расчете, несицей способности и осадок сва": с учетом оил отрицательного трения при проектировании свайшх фундаментов гидротехнических сооружений, построенных в просадочных грунтах,, в основе которого ;:еглт принцип введешь: кс?:?:-фициенгоз взаимодействия сваи с грунтом, аналогичных по сгпслу коэКжг.лента).! взанмодеГзтвия в гнпоте Фу с с ^-В инк л ер а.

Атгробпц;^: работы. Результаты исследований, :гр:изсдс!!икс ь диссертации, были обс>вдены но двух науч.чо-техк1'лескпх ко;г:с- ■

ренциях МГЮ! (1989,1990).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 203 страницах машинописного текста и иллюстрирована 50 рисунками, 14 таблицами. Список литературы содержит 128' наименований из них 6 'иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, фор- ■ Аудируются цели, задачи исследований, показывается научная новизна работы.

В первой главе приводится обзор литературы по расчету несущей способности свай с учетом сил отрицательного трения при строительстве гидротехнических сооружений на лессовых просадоч-ных грунтах. На основе аналитического обзора 'литературных источников монно сделать вявод о том, что вопрос об учете сил отрицательного трения на боковую поверхность сваи в гидротехническом строительстве мало изучен, хотя достаточно полно изучено раоота свай в условиях промышленного и гражданского отроительопа, где замачивание'грунта носит, как претило, случа^шй характер. Отсюда возникает необходимость уделить больше внимания этому гспросу . и определить цель настоящей диссертации.

Во второй главе приводится основной подход для разработки метода расчета несущей способности а осадок свай, подход аналогичен подходу Фусса-Винклера п. и расчете деформаций и нгпр.;?.еп7й в конструкциях на упругом Основании, а именно предполагается, что взаимодействие сваи с.грунтом но боковой поверхности определяется зав пошлостью:

( г )

Аналогично взаимодействие острия сваи о грунтом описывается зависимостью:

с г > •

где: г касательные напряжения по боковой поверхности

о

сваи, Н/о.Г; .

¿/6) - перемещение (осадка) сваи рассматривается как

■ .функция Ж « см; к — коэффициент взаимодействия сваи с грунтом, аналогичный коэффициенту упругого основания в гипотезе Фусса-Винклера, Н/см3; - нормальные сопряжения на уровне острия сзай, Н/о.^; 1/{С) - перемещения острия сваи, см;

Р - коэффициент взаимодействия острия евьи с грунтом аналогичны^ "коэффициенту упругого основания" в гипотезе фу.с,с«тйинклера-; Я - -глубина текущего сечения сваи. . На основе зависимости (Ю к рассматривая сваю погруженную в грунт под действием вертикальной осево:; нагрузки в состоянии равновесия нами был сделан вывод дичгеренцнтьного урнввейич для определения перемещения свей, которое имеет вид:

, (з)

где: г - радиус поперечной сван, см;

¿¿»- модуль упругоотп материала сзаи, II/а,?. Это уравнение имеет рейонпя при различных случаях нсгрухения сваи.

Для описания работы сваи в лессовых гр.ултг'х при их зама-

чивании нами был сделан вывод дифференциального уравнения для определения перемещения сваи как при действии только замачивания грунтов, так л при действий замачивания и внешней нагрузки, а дифференциальное уравнение-имеет вид:

' £Í¡L _ ЩУ - ¿foSsecJZ 2Á-3£sf<J//T ¿Zz г Есв г fes ~ г ЕеВ ( 4 '

где: Á3 - коэффициент взаимодействия сваи с.лессовым проса-дочным грунтом при замачивании;

Sst ~ относительная просадочность, %;

cJ - влажность, %;

Ит - глубина замачивания толщи грунта, см.

Уравнение (4) позволяет учесть влияние отрицательного трения при различных глубинах замачивания (pi-J.I и рис.2), по результатам приведенных расчетов на основе уравнения (4) можно сделать вывод, что Нагрузка от сил отрицательного трения оказывается весьма существенной, например, при глубине замачивания равной длше сваи, она по нашим расчетам составляет 29-,4С т для свай длиной 10 м.

В третьей главе излагается разработка способов определения коэффициентов взаимодействия /( и , в результате анализа экспериментальных данных и многочисленных расчетов для различных аналитических зависимостей /Г и от перемепенил \ были вибрани следующие аналитические зависимости:

»/,,). r ÍUoi/í/J)^ . ■ '

.-ja, > t

^ г у* <гм* ( J )

где: Ко,сС,/, Т,j50tfl'it}J- чксягзце коа?«5гциек?я, коюг.'Г',

г,оя?п\: сл>(1.- -елтье zo с::нг"¡и

_£ Н? 0.25?а

л Ъ®4г _ Нг 075^

-Я

1.СМ .

+ТД/смг) 20 -16 42

-Т./Н/СМ2] о -4 -8 42 ые -20

1см

Рис.1. Графики изменения касательных напряявний на баковой повер:шоста свай с увеличением глубины замачивания

МО I

Ж

100 Ж,

1 >'ж

'■у-

700

£

900

1 I- 1 -1

1

со I

г/д/тУ

4Р ¡Ю

-20

Ш-Нт{/,7??

Т7~ _ и J =

^ - Иг = 0.25! Ж-ИТ*Ц5!

Рпс.2. График изменения касательных натянений с увеличением гзг'бгнк замачпания при действии внешне® нагрузки

-м

I

щ I

данным. Аналитические зависимости (5) и (6) должны определяться так, чтобы описать взаимодействие сваи с грунтом наилучшим образом, а также выполнять следующие условия: ^^

а) при I/ - 0 должно быть = 0 и 0

Это требование вытекает из наличия при малых значениях перемещения (Ц) линейной зоны, где К и /3 можно считать постоянными;

б) яри (/■* 00 должно быть "2"= и & = <э* где Т*. и соответственно касательные и .¡ормальные предельные Напряжения, три которых свая начинает терять свокз несущую'способность;,

в) значения коэффициентов и % должно обеспечить совпадение в средней части кривой "нагрузка-осадка" сваи. Для определения кс^ффидаенгов' ^/б входящие в зависимости (5) :и <6.) бнди разработаны алгоритмы, которые оказались довольно громоздкими, -поэтому для вычисления этих коэффициентов были составлены -и -отлажены программы для,ЭВМ на алгоритмическом языке "ЕЕЙС1К". Для -цроцедения :расчея,ов использовались многочисленные экспериментальные данные, полученные прг. испытании свал и приведенные .в -технической литератур;.. В результате сравнения данных рабчетов и .экспериментов устеи.пвливалась степень соответствия результатов расчётов и экспериментальных данных. Совпадение результатов .расчетов' и экспериментов следует признать хорошим. Призеры рассчитанных кривых "нагрузка-осадка" и полученных •в ,-експерш/ечтах приведены на рис.3, 4, 5,. ,

В четвертой главе рассматриваются способы пересчета механических характерной^ грунта, тат-чх как -модуль деформации , коэффициент Пуассона ^И , угол внутреннего трения У , сцепление ¿'в коэффициенте взаимодействия сваи с грунтом К н у<? для проведения прикидочннх предварительных расчетов.. При гтом оказалось удобным ввести в рассмотрение ко£-:'<[1Щиен'- : вяаимоде' стагд

о ' 200 400 БОО âO0 -/ООО /200 -/4ÛO -{№ -/âffO ЩО 2£00

-iO 20 30 40 50 60

ч

Ч, V \ \ \

\ \ ^ \ \ Л о

л «

•

«

,ММ Рис.3. График зависимости "яагру^ка-перегзщсние"

1 - по результатам испытаний,

2 - по предлагаемой .методике

i =

м н

- 12 ^ о

■Sûû 2ff0 <Ж ' ш

- 14 - п .

/(Гц , зависящие только от свойств грунта и вывести формулы, которые учитывая геометрические размеры свай

* »

позволяют рассчитать коэффициенты взешдрдействия Л и у? . Формулы для пересчета механических характеристик грунта в коэффициентах Ке МГ,/Г> /о *уГ приведены ниже:

^^ТТ^Г о (7)

#еТг

/!-._ Ч)

т ££

Аг-к*

где:

( 8 )

( 9 ) (. Ю )

( II )

( 12 )

Я О . • 'г'

Е - мог'ль деформации грунта, ЫПа, - коэффициент Цуаосона, ,, - показатель степени г, г?вяоимооти (5), " / - коэффициент внутреннего трения, К - показатель .степени в зависимости (6). 5

Быв од этих формул лр5:веден в тексте диссертации, для прн-.' ьедоигч йржэдочнкх ресчгЛЬ для основных грунтов были рессчн-ц г дня таогкш, фрагмент из этих "габяиц для наглядности '.т?;:зеден : -а гаодяце I,- .. V

Дхч гогь, чгобк T4i.cn, е ргсчетгл зависит ость ко?:ги;;;:он-

Таблица I

Коэффициенты взаимодействия лессовых грунтов со сваей

Степень В КОСТИ1 Пористость, Механические херпк-. тетэкстикя лессового . гранта (mm деале-, нки 0,1 :.По) i (Ä22a) i ; x! T yfvJcA? i (Mía) 1 f * i

I 2 3 0 5 7 3 'г 9 ! io II

! H 'S 1 IB ! 40-42 ! £ = Э500 L/ci.f /'•-СА V о'о'«» ' - ¿o dj С = 0,61 ma j 4334 1 (43,34) 2,354 2=038 10 334o ; (33,46) л 1,939 i 11,837 1 15 'i. :

1 « « f : i Я - ■ я ? i 1 s: M i ■ 2 w i 1 ai -J ! с = 9500 И/of Л= °«3 г ¿ 26°06* G = 0,53 ?Ла í ! ; 4384 -i (43,84) 2,701 2;43I 10 3346 ' (33,40) 1,939 ! 1,337 * ' ■i 15

¡O II ; IJH! ! < > 44-46 £ = эсоо H/ex? /'»0,3 ^ = as^s*- = 0Г52 МОа i : 4153 ; (41,53) 2,737: " ¡ 2,453 i 10. 3296 . : (32,95). i : .1,959 I 1,837 15 •

Продоякение таблицы I

т- о 4 I ç S 7- • 9- i 9 10 ! II

46-48 Е = 8500 Н/ет? /* - С, 3 V = 25°Э5' 3923 . (39,23) 2,775 2 ,497 10 i '5946 .! (59,46)i 1,939 1,837 15

• о . С = 0,47 .Mía

Т и со о « 48-50 . гГ '' • Е = аооо н/са? 0,3' У = 25рго' Э392 .. . (33,92) 2,774 2 ,495 10 - 5596 1 (55,96); 1,939 1,837 15

: . £ = 0,42 Mía • > i

к. § Й g в 50-52 .• ' . - ■ Е = 8000 H/cí? А = о.з У = 25°24' 3592 (35,9S) 2,787 п ,508 10 559S j (55,96)i 1,969 1,837 : 15 E í

13 ж ; - ' i '= 0,38 Ша !

- 0j : е ш il я о к oí i ; ! .52-54 Е = 7500 Н/с!,? = 0,3 ^ = 25°24' ■ 3461 (34,61) 2,815 ,534 10 5246 S (52,46) ! ! 1,969 1,837 15 1

^ = 0,53 ша : i 1 i M ■ i

-1*7 -

тов взаимодействия "свая-грунт" от глубины i следует учесть зависимость трения от величины нормального давления, которое определяется через глубину сечения свал и удельный üec грунта. С ¿/четом этого были получены основные формулы, необходимые для пересчета механических характеристик грунта в коэффициенты Ао , öl,/, зависящие от глубин« Z :

JC0i-/*-lCd)TT

( 15')

Г/г) 0

■ ¡тяг-*?.

// А**

С 18 ) f

где: У/г)- функция зависимости коэффициентов взаимодействия от глубины , /- - размер поперечного сечения сваи, см, f - .плотность грунта, т/и3,

о

ß - ускорение свободного падения, см/с*". Отмеченные висе таблицы коэфф'-циектоЕ, взаимодействия с:: ал с грунтом ц приведенные зависимости (?) - (18) мокно попользовать длл проведения'прккидочных расчетов.

В пя'ГО'Д глпзе представлена обобщенная методика расчета .

. -18- . "

на ЭВМ несущей способности и осадок свай с учетом сил отрицательного трения. Для интегрирования урайнения (4) использовался метод конечных рагчостей и проводилось многократное итерационное уточнение коэффициентов взаимодействия "свая-грунт" по перемещениям. Была составлена и отлажена программа расчетов на ЭВМ на'алгоритмическом языке "БЕЙСИК".

С целью получения достоверности оценки предлагаемой методики расчета несущей способности сваи на лессовых просадочных грунтах, на примере лотковой оросительной системы хозяйства на юге Казахстана был рассмотрен расчет осадок й несущей способности сваи. Для-этого определяются коэффициенты взаимодействия.про-Садочного грунта со сваей' при нагрузг^ от веса Ьоды и веса лотка на сваю равную 8 т. Результаты'расчета итерационным методом получилась удовлетворительные и сравниваемые с данными натуры.

• "выводы

Анализ проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы: ■ •■••"

I. Показано, что отрицательное тре:ие'в слабых грунтах мотет давать дополнительную нагрузку на сваю,'сравниваемую по величине с нагрузкой от сооружения, построенном'на свайном фун-'. даменто. Поэтому отрицательное трекие должно обязательно учитываться как при определении несуще!; способности, сваи, так и при определении ео осадки. Анализ технической литературы показал, 5 .Что в настоящее время не существует расчетного метода, доота-" точно ично учитывающего отрицательное трение, так как учитываемся Я1иь отдельные факторы* влйяэщие на работу сваи, ,н: ох~ и • • вптивач все* их совокупности.

й. ч г.

— » —»

результате рассмотрения экспериментальных исслсдо-

вакий работы сваи в просадочных грунтах, выполненных многими исследователями, выявлено, чтоо'при расчетах свайных фундаментов гидротехнических сооружений построенных на просадочных грунтах необходимо учитывать страдательное трение.

3. Выведенч дифференциальные уравнения (3), (4) для определения перемещения сваи при различных ее нагрунениях и глубина" замачивания по ее длине'и^нигв,' которые достаточно точно описывают качественную мртину взаимодействия сваи с гр7нтом, хорошо согласующуюся с многочисленными экспериментами других исс :едо-вателей. - ■

4. Для количественного соответс-зия результатов расчетов

и экспериментов разработан метод о'-ределепия коэ^!»щие:?':оп. взаимодействия К п уЗ свриос грунтом, который позволил разработать алгоритм расчетов для составления программ для с'ЗМ,

5. Составлен: п отлс;..енг. ютрг-мма для 0В1.:, по которой проведены расчета свай в лессовом просадочном грунте'при его замани гонгл:. Сравнение результатов расчетоз по предлагаемому метод:/

с экспериментальны!,'.и даниымн показало :">рошее гх совпадение.

6. Получена таблица коэффициентов взаимодействия сваи с грунтом, которая позволяв: для любых типов грунтов гтрбвс, .лть ¡тгедопрительше расчеты несуще:" способности сваи.

1. Разработана обобщенная методика рг.счета на СЗК нгсугаей способности осадок саа;5них •':/кдс?:знт.ов ГТС, построен!!.'« на лессовых просадочных грунтах с учлтом опг. отрицательного тгения и приведен притер расчета сваГаого ¿-ундамшнг акведука в лессовых .. оспдсчнн:: грантах.

По-шж:дио в печать Зли. /-, Чгр./ОО

МШ1СЛ И.П. ГорячклшГ