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

МЭСКОВСКШ ОРДЕНА ТРУДОВОГО ЗОЛОТОГО ЗНАМЕНИ ГЩРОШМОРАТШЫИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АВДУЛ КРИМ САВД РАДИ

. УМ 626/627:624.15:624.131.2

ОСОБЕННОСТИ СОВМЕС'ЯЮЙ РАБОТЫ- ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ СО СВАЙНЫМ! ШЩМЕНТАШ В ЛЕССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

.Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата тег-шическшс наук

Москва 1992 г.

/ / / о ч

Работа наполнена на кафедре ''Основания п фундаменты" Московского ордена Трудового' Красного Знамени гидромелиоративного института

Научные руководители: кандидат технических наук, догянг

С.Г.ЮРЧЕНКО

кандидат физико-математических наук, доцент й .II .КОНДАКОВ

Официальные оппоненты: доктор технически: наук; профессор

З.С.МГЛ1Ш

кандидат технических наук» доцент ' " "' С.11ЛЕВАЧЕВ

Ведушая организации: Производственное объединение "СОЗ:11Г_?ВОД"

диссертации состоится ''19J¿ года в """часов на заседании специализированного Совето К 120.10.01 В Московском гидромелиоративном институте по еглесу: 12,150, ул.Прянишникова, 19.

С диссертацией можно ознаконлтьел в библиотеке Московского гидромелиоративного гаотитуга.

Автореферат рязоелгн "¿iffi" > 1332 годп

ченый секретарь Специализированного Совета К 120.16.01

кандидат технических наук *

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В гядротелдаесном строительстве применяются некоторые типы водопроводящих и сопрягающих сооружены, такие как акведуки, дюкеры, лотковие каналы, трубопровода различного назначения, а так:г.е консольные перепады, низконапорные плотины, подпорные стенки, в процессе эксплуатации которых происходит постоянное замачивание грунтов основания. При строительстве, таких сооружений на лассозых просадочных грунтах, деформированное состояние которых в силу особого строения их струг:туры .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 йунда-ментах. Однако, опыт строительства- на иросадочных грунтах-показал, что пока еще.недостаточно изучен вопрос работы свай на лессовых иросадочных грунтах с учетом явлений, связанных с работой свай на таких грунтах. Например, мало изучены, так называемые "негативные" или "нагружающие", силы трения, возникающие на боковой поверхности свйи при осадке сколосвайного грунта к из ¡трав-' ' ленные вертикально вниз, вследствие зс :ачпвянйя околосвая., ого грунта и пригружашше сйага. Изучение особенностей расчета несущей способности и осадок свай с учетом сил "негативного" или . "отрицательного" трения строительстве гидротехнических со-ору нений на лессовых иросадочных. грунтах является поэтому пк-туальпш,'.* : , ■ _„. ■.'■'."

Цель ц задачи исследования. Цель настоящей диосертации заключается в разработке метода расчета неоущей способности и осадоя свай с учетом сил негативного трения -при строительстве гидротехнических сооружений на лессовых просадочных грунтах. В соответствия с поставленной целью решались следующие основные задачи:

- разработать' и проверить инженерный метод расчета'несущей способности и осадок оваГшнх фукдаюнтов гидротехнических сооружений, построенных 1> лессовых просадочных грунтах с учетом сил отрицательного грения; ^

- осуществить и обосноветь способы определения геханичес-ка xapaa.repr.cTV5: грунта, требующихся для проведения такого расчета;

- сравнить результаты расчетов несущей способности и осадок свай по хредлагяекой методике с экспериментальными данными.

Методика у.сследовснЩи Поставленные задачи решались проведением, в основном, теоретических исследований-с использованием ЭВМ и программ, написанных и оглаке:1к:пс на алгоритмическом лзк-ке "ЕЕЙСЖ". Кромке того, проводило;: анализ экспериментальных данных, описанных в технической литературе.

?'Руцкая новизна. В процессе теорёткческих исследований разработан метод расчете несущей способности и осадок сваЛ с учете:.: спя отрицательного грения при проектировании свайных фундаментог гидротехнических соорукений, построенных в просадочных грунтах,, в основе которого ;:екиг принцип ьведенш: фкциенгоз взаимодействия сваи с г рунтом, аналогичных по стог/ коэ№и.'тдентам взакмодеГзтвия в гкпоге Фусс-Вгажлера.

Апгообацдп работы. Результаты исследований, приведенные в диссертация, были обс^ддены на двух научк£ь-техш,.,;ескпх конГге- •

ренциях МШИ (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 б иностранных.авторов.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приводится обзор литературы по расчету не-сущеД способности свай с учетом сия отрицательного трения при строительстве гидротехнических сооружений на лессовых ггросадоч-ных грунтах. На основе аналитического обзора литературных источников можно сделать вывод о том, что вопрос об учете сил отрицательного трения на боковую поверхность сваи в пиротехническом строительстве мало изучен; хотя достаточно полно изучено раоота свай в. условиях промышленного и гражданского отроительоти, где замачивание' грунта.носит, как правило, случайней характер. Отсюда возникает необходимость уделить больше внимания этому гопросу и определить цель настоящей диссертации.

Во второй главе приводится основной подход для разработка метода расчета неоушей способности я осадок свай, подход аналогичен подходу фусоа-Винклера п. и расчета деформаций и ¡шпрлтсеьгй. в конструкциях ла упругом основании, а шенно предполагается, что взаимодействие сваи с.грунтом не боковой поверхности определяется зависимостью: . . -

T(z)--K-V(z} ' (i)

Аналогично взаимодействие острия сваи с грунтом описывается зависимостью:

. (2) где: 'tfy - касательные напряжения по боковой поверхности

о

сваи, H/cif; ■

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

. йушщт'я Z , см; к — коэффициент взаимодействия сваи с грунтом, аналогичный коэффициенту упругого основания в гипотезе , $у.сса-Вшклер'а, Н/см3;

(¿/{) - нереальные - .сопряжения на уровне острия свай, Н/о,^;

Ш - переэдент острия сваи, см;

fi - коэффициент взаимодействия острил свш с грунтом аналогичный '"¡коэ^гЬициенту упругого основания" в .гипотезе Фу дса -В инк л ер э;

2 - глубина гекугсегс сечения сваи.

. На основе зависимости (I) и рассматривая сваю погруженную в грунт под действием вертикальной осевой нагрузки в состоянии равновесия нам был сделан вывод да Чреренциачъного уравнения для определения перемещения сваи, которое н.\:еет вид:

¿¿L Г fee " ( с)

где: f - радиус поперечной свои, см;

fee- модуль упругости материала сваи, Н/с?А Это уравнение -имеет решения при различных случаях нагрукения сваи.

Для описания работы оваи в леосовкх грунтеч при ;:>: зама-

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

¿Ж - = 2*а€*?ь)2.

с/12 г Ес& г ем ~ г Ес&

где: , Кз - коэффициент взаимодействия сваи о.лессовым проса-дочным грунтом при замачивании; - относительная просадочноагъ, %; сЛ - влажность,

Ит - глубина замачивания толэд грунта, см.

Уравнение (4) позволяет учесть влияние отрицательного трения при различных глубинах замачивания (ри.1 и рис.2), по результатам приведенных расчетов на основе уравнения (4) можно сделать вывод,-что Яагруэка от сил отрицательного трения оказывается весьма существенной, например, при глубине закачивания равной длине сваи, она по нашим расчетам составляет 29-,4С т для свай длиной 10 и. .

В третьей главе излагается разработка способов определения коэффициентов взаимодействия и / , в результате анализа экспериментальных дакннх и многочисленных расчетов для различных аналитических зависимостей X к от перемеиенят ) били выбрани следующие аналитические з-^иснкосги:

г/},)-г , . ,

где: Ко,оС, Г, Я - чу.екгще козЛсашентя, котог-и-

лояэди по сацг'ш

2P -IB •//

-T.MmV яс -2Û

JL HfWtcñ Hf Û7HcS

je fifia

\ZfM

Рис.1. 'Графики изменения касателышх напряжений на боковой яовер:шости свай с увеличение:.: глубины замачивания

r/ff/mV

4ff

- T/ff/MV

-4ff

t

из

I- Hr -0.2.5? Ш - Ht : W?

l-Hr~Q5? JT-Ht*?

Pac.2. Грайзс изменения касательных натяяений с увеличением гзг'бгнк зачачгэенпя при действии внешней, нагрузки

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

// г/К йуО

а) при = 0 должно бать - 0 и 0

Это требование вытекает из наличия при малых значениях перемещения (<У) линейной зоны, где К'ти /$ мото считать постоянными;

б) при С/-*-00 должно быть и <2> = Сэ* где. и Сд^ соответственно касательные и лормаяьнне предельные Напряжения, при которых свая начинаем таряуь £бой несущую'способность;,

в) значения коэффициентов 7~ я Я должно обеспечить совпадение в средней части Здэда.о.й "напрузка^осадка" сваи. ДлА определения коэффициентов' Кр^»/'* ^««. входящих в зависимости ('5) <6) бши разработаны ад-горитмы, которые оказались довольно громоздкими, -поэтому для вычисления этих коэффициентов были составлены изглажены лр&грают для.ЭВМ не алгоритмическом языке "БЕЙС1К",. Для •щодеде.чия .расчетов использовались многочисленные экспериментальные денные, полученные прк испытании свай и приведенные© технической литератур:.. В результате сравнения данных расчетов и экспериментов устанавливалась степень соответствия результатов -расчётов и экспериментальных донных. Совпадение результатов .расчетов'и экспериментов следует признать хорошим. Призеры рассчитанных кривых "нагрузка-чосадка" и полученных -в гшсперю/еятах приведены на рно.З, 4, 5,- ,

В четвертой главе рассматриваются .способы пересчета механических характеристик грунта, та-чх как 'модуль де&ормацпи Егр , коэффициент Пуассона ^И , угол, внутреннего грекга У3 . сцепление ¿"г, коэффициенте вэглмоделствкя -сзаи с грунтом /Гну? для. проведения прпхкдочных предварительных расчетов,, лы: ртом оказалось удобным звесм. в рассмотрение ког^-'ицл?«'. : взпге/одс сотня

а

■MP

- 12 2ÛÛ

J¡7¿? № $ «tí

Ч ^^^^^^ 4. \\ \ X N N \ \ \ в

« \\ \ \

U ' h h \\ Г I '

< о " л . у \

' Д —

■iû

iS

W

\ г

X \

Гра-î'îo "осадка-нагрузка" свай

сгчект.ем 350x350 iM-^TEHCiI? / ~ 4 v. о Л 1 - гтсперш'.ентепОние реУулътатн,Q

рпкГЧЗГ no^npeiierfiej.'ori )*стс>Д1ке 0п

Рис.5. Результат испытаний сва.» вздергивавшей нагрузкой а по растчту

■<' • -экспериментальные результаты, -

- ------ расчетные по предлагало" кетодпкр. . .■

1 /Г и / , зависящие только от свойств грунта и вывести формулы, которые учитывая геометрические размеры свай Аг

4 в .

позволяют рассчитать коэффициенты взеиадействия /Г и у? . Формулы для пересчета механических характеристик грунта в коэффи-"циентах К0 ,/Г, у^Г .уг приведены нике:

' о (7) .

¿¡Г

у. -

т

2Е

г-

Л-я*

(*•<}*•е

где:

( 8 )

( 9 ) (.10 )

( II ) ( 12 )

Е - мог'ль деформации грунта, МПэ, -

- коэффициент Пуассона, • ■

; - л '7* - показатель степени г. г?висимооти (5),' л

~ / - коэффициент внутреннего трения, ..

К - «окезатель.степени .в зависимости (о). .. "

.. Бмвод этих формул приведен в тексте диссертации, для прл-. "иедсайя арикддочнкх расчв*ьЬ для основных грунтов были рассчя-^ -гены тйОзквг,. Зрагшя из агкх ЧЪбаяй для наглядности _ и таоглпе I.- . ' ч

Лхн того, чт&бк учесть V ргсчетрх згзиспгосгь- коэ^ияск-

ч

^

5 со РЗ

>4*

E-t

\

ч

СО

И

ж

¿2. « О 01 Р.« « UJ о и N о сз

О rt

в) о

г; « sc:

S «ЕЙ

fcí с-« я » о f'O СО к к Я

il 0) fît«

i «

о

к с«

РчО » о о ГС'"

i л è н ■и к с о

ОКИ s:

сг>

со

Й

00

о

ы

00

'.П

Я.

Cl

ю о

й со

Чц

о

- Йм

СП О •!> to

CJ

о

(8

(71 О OJO

« i; и и

Ч

о

ИЮ

ю м.

Й

со

ст>

<0 о

43

tO ^ «

(О to го to

m

CN!

w о г-

Й ' oo

s

CM (M

to to

'ОТ" CD

Eo

. IN

cm"

3

от m

Vf V

w Гй

со со ю

Ю "

M w ^ Ч1

____1.

ä1

I сч. д о

I й!

$ '/О ól о

05 . ш

s

■ 1Л

см

^ » 'О

on о ог о И- II 11 и j « п в

I Ч4 ^s^

га

о It

•s

vT

fr'0-13* л = -ÍP

мака, инопэло atfjj

Продолжение таблицы I

. т- ■ * Ù • Г <J 4 i 5 s 7- S- 9 ¡ 10 II

' .4 46-18 £ = 8500 Н/о»? =0,3 ¥ = 25°Э5' ■ 1 i 3923 Ig 775 (39т23) ¡ ) 2,497 10 '5946 . (59,46) ! 1,959 ¡1,837 ( i ! 15

M " / « : О ' « 'h . Г i > ' 48-60 : С = 0,47 Ша £ = Э000 Н/сь£ У = 0,3 у = 25сзо' ; £ = 0,42 ÎJIa - SS 92 .. . (33,Q2) • 2,774 2,¿¿S ■10 - f- 5595 (55,96) j i i 1,959 ÍI.837 15 L.

ti: S ' Щ g « к а 50-52 - *" ' ' Í ■ ¡ .£ = 8000 Н/сг^ А = 0,3 У = 25°24* ' S '= 0Г38 Ша 3592 (35,96) 2,787 2,508 10 - • 5593 (55,96) i ■ S ' 1,959 i 1,837 • " 1 ! 15 ■ S .

~ (U : е а> г. S"1 ■ О S © 52-54 if = 7500 Н/си? = 0,3 Г=25°24' G = 0,33 Ща '• 3461 Í34,6I> ! 2,815 1 2,534 í i - ' ■ í 10 T ! 1 5246 (52,46) ■ . 1,959 J1,837 i 1 j ¡ 15 ! i i » J 1 J . ■ —i — i

тов взаимодействия "свая-грунт" от -глубина Л следует учесть зависимость трения от величины нормального давления, которое -определяется через глубину сечения сваи и удельный вес грунта. С учетом этого были подучены основные форадлы,' необходимые для пересчета механических характеристик грунта в коэффициенты Ко , о1 » зависящие от глубины! 2 :

и/к). _ /г.I)ЛИРгг

Г

/Г/АА/

• ф-МЯСг)! .' .'

< 7">г//, ъШ/риу> . ( км"

Егрц / / бгр^гС

Г®'г(1П

о

т - ■■ (18)

«*

гя

где: }"/£/- функция зависимости коэффициентов взаимодействия ог глубины , /* - размер поперечного сечения сваи, см, . ' ; , / - .плотьость грунта, т/м3, ^ - ускоренно свободного падения, с-у/с*. Отмеченные вше таблица коэффкдиектоЕ взаимодейсггия ее ал с грунтом и приведенные зевцспгостя (7) - (18) можно ий-пользовать длл проведения 'прикидочиых расчетов..

В пятой главе представлена обобщенная методика расчета ..

- -18 - °

на ЭВМ несущей способности и ооадок свай с учетом сил отрицательного трения. Для интегрирования уравнения (4) использовался метод конечных рапостеи и проводилось многократное итерационное уточнение коэффициентов взаимодействия "свая-грунт" по пере- ; .^мещеииям. Была составлена и отлажена программа расчетов на ЭВМ ! на•алгоритмическом языке "БЕЙСИК".

С целью получения достоверности оценки предлагаемой методики расчета несущей способности сваи на лессовнх просадочных 'грунтах, на примере лотковой оросительной системы хозяйства на . юге Казахстана был рассмотрен расчет осадок и несущей способно- . оти сваи. Для-этого определяются-коэффициенты взаимодействия .проселочного грунта со сваей' при нагрузгр от веса йоды и веса лотка

■ на сваю равную 8 т. Результаты"расчета итерационным методом по-, '.лучились удовлетворительные и сравниваемые с данными натуры.

выводи ■;'

'■'•■•- Анализ проведенных исследований позволяет сделать следую-■щие выводы: . . • -

1. Показано, что отрицательное треше'в слабых грунтах

. может давать дополнительную нагрузку на сваю, сравниваем по величине с нагрузкой от сооружения, построенном'на свайном с1ун-'. дамекге. Поэтому отрицательное трете должно обязательно учиты-

■ ге^ься как при определении несущей способности.сваи, так и йри определении ео осадки. Анализ технической литературы показал, 5

./Что в нестоящее время не существует расчетного метода, доота-.', точно ычне учлтыэжвдего о'фздательное трение, так как' учитывается лыь отдельные факторы, вяйяэдие на работу сваи,-,.но ох- ° • вотывая всей их сс© оку пн ости.

2. 3 результате рассиотреягд экспериментальных исследо- -

вакий работы сваи в ггаосадочннх грунтах, выполненных многими исследователями, выявлено, что^при расчетах свайных (фундаментов гидротехнических сооружений построенных на просаДочпых грунтах необходимо учитывать отрицательное трение.

3. Выведены дифференциальные уравнения (3), (4) для определения перемещения сваи при различных ее нагрунениях и глубина" замачивании по ее длине н'нл;;е,' которые достаточно точно оггасп-зсют качественную ¡.хртику взаимодействия сэаи с грантом, хорошо согласующуюся с многочисленными экспериментами других исс :едо-зателеп.

4. Дтп количественного соответствия результатов расчетов

:1 экспериментов разработан м.етод о"ределрчия коэ^ацк-с'.'ст» взаимодействия К и уЗ с в а п '.х! грунтом, который позволил разработать алгоритм расчетов для составления прогром'л Для £3.4.

5. Составлен: и отлажена п-'~гра:ма для ЕВь!, по которой проведены расчеты сван в лессовом просацочнок грунте при его зама-шг.еш..:. Сравнение результатов расчетов по предлагаемому метод:,'

з оксперш/.ентагьныыи данными показало г^роаее их совпадение.

6. Порчена таблица козлГицпенгов взоигадвйс-.вия свап с грунтом, которая позголяе: для любых типоь грунтов провс лть 'родрарительгие расчеты несуще:" способности сваи.'

/. Разработке обобщенная. методика г,с счета па 13!« несущей моссбности :: осадок. сваГз'нх **укдг-.мэнтсв ГТС, построенных на Лесковых просадочных грунтах с учетом сиг. отрицательного трения и ■.мичдсн прк.*ер расчета сводного :;уи.дамант- акведука в- лессовых : осадочки:: грунтах.

Подписано в почать 20. /. Зд». ^ ДЦ1ИСП им. И.П. Горячыпм

Тир. /ОО