автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Работа двуконусных свай в пучинистом грунте

С/ /

РЕПЕЦКИИ Дмитрий Станиславович

РАБОТА ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ В ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОЕВ 2011

Тюмень-2011

4854360

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пермском государственном техническом университете (ГОУ ВПО ПГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Юшков Борис Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Полищук Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент Зекин Валерий Николаевич

Ведущая организация:

Государственное специализированное научно-производственное предприятие «Геоинъекция» (г. Пермь)

Защита состоится 25 февраля 2011 г. в 12.00 часов на заседании специализированного диссертационного совета Д 212.272.01 по защите докторских диссертаций при ГОУ ВПО Тюменском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 625001, г.Тюмень, ул.Луначарского, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Тюменского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «25» января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Я.А.Пронозин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обширные территории Российской Федерации характеризуются продолжительным зимним периодом и значительной глубиной промерзания грунтов. Освоение природных богатств и энергетических ресурсов Урала и Сибири требует строительства новых гражданских и промышленных объектов, что приводит к использованию в качестве оснований водонасыщенных сезоннопромерзающих глинистых грунтов. При освоении таких районов возникает необходимость решения специальных задач по обеспечению прочности, устойчивости и долговечности зданий и инженерных сооружений, которые возводятся на пучинистые грунтах. Их решение связано с оценкой морозного пучения грунтов и его влиянием на состояние свай и свайных фундаментов.

Одним из наиболее распространённых способов возведения фундаментов в сезоннопромерзающих грунтах является погружение свай значительно ниже границы сезонного промерзания, а это повышает до 15-20% стоимость возведения фундамента лёгких зданий и неотапливаемых сооружений.

Выполненные многочисленными авторами экономические сравнения вариантов фундаментов в различных грунтовых условиях свидетельствуют о высокой эффективности применения фундаментов из свай распорного типа.

Требованиям устойчивости свай в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах наиболее полно отвечают двуконусные сваи1, разработанные в результате теоретического анализа сил, действующих на сваю при промерзании. Такие сваи позволяют существенно уменьшить негативное влияние касательных сил морозного пучения и обеспечить устойчивость свайных фундаментов из двуконусных свай для неотапливаемых малонагруженных зданий и инженерных сооружений. Однако до настоящего времени вопросам оценки работы двуконусных свай в пучинистых грунтах уделялось недостаточно внимания.

Расчёты, выполненные по нормативным документам, дают результаты прогнозирования деформаций фундаментов из двуконусных свай с большим отклонением от фактических, поэтому работа является актуальной.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ПГТУ (код по ГРНТИ: 67.11.29, заказ-наряд №1012).

Объект исследований - полая двуконусная железобетонная свая заводского изготовления, устраиваемая в пучинистых грунтах, преимущественно глинистых, которые по существующей классификации относятся к сильно- и среднепучинистым.

1 Двуконусная свая - это свая, которая включает ствол, состоящий из верхней сужающейся кверху части, расположенной в зоне сезоинопромерзающего грунта, и сужающейся книзу части, расположенной ниже зоны сезоинопромерзающего грунта (патент на полезную модель № 42234 «Свая»).

Предмет исследований - взаимодействие двуконусной сваи с пучи-нистым грунтом на этапе её эксплуатации.

Цель диссертации - на основе экспериментальных и теоретических исследований оценить работу двуконусных свай в пучинистых грунтах и разработать метод расчёта свай по деформациям пучения, обеспечивающий надёжность проектирования свайных фундаментов для неотапливаемых малоэтажных зданий и инженерных сооружений в сезоннопромерзающих грунтах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать методику и провести экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях устойчивости двуконусных свай в пучинистых грунтах при многократном промерзании-оттаивании: обосновать рациональный тип двуконусной сваи по геометрическим характеристикам для практического использования.

2. Выполнить экспериментальные исследования определения несущей способности призматических, конических и двуконусных свай в глинистых грунтах и выявить влияние геометрических характеристик на их работу при действии статической вдавливающей нагрузки.

3. Разработать метод расчёта свай по деформациям пучения; сопоставить результаты, полученные по предложенному методу, со своими экспериментальными данными и данными, полученные по другим методикам, и расчётами по нормативной литературе.

4. Провести опытно-промышленную апробацию результатов исследований при проектировании свайных фундаментов из двуконусных свай на пучинистых грунтах для неотапливаемых малоэтажных зданий и инженерных сооружений; сформулировать область применения двуконусных свай по грунтовым условиям и типам зданий, сооружений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. В полевых и лабораторных экспериментальных исследованиях установлены закономерности взаимодействия двуконусной сваи с талым и промерзающим пучинистым грунтом.

2. Установлено, что при замерзании грунта выпучивание двуконусных свай нейтрализуются как силами трения по боковой поверхности талого грунта (60%), так и силами, создаваемыми нормальными напряжениями при промерзании (40%), направленными под углом навстречу касательным силам (эффективность нейтрализации пропорциональна углу наклона верхнего конуса (2-5°).

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что при взаимодействии рекомендуемых свай с талым глинистым грунтом несущая способность на 14-18% больше, чем у призматической, при одинаковых осадках, за счёт распорной конструкции нижней части двуконусной сваи. Кроме того, удельная несущая способность материала двуконусной сваи в среднем на 48-53% выше, чем у призматических свай аналогичной длины.

4. Разработан инженерный метод расчёта свай по деформациям пучения при моделировании грунта как линейно деформированного полупространства. Расчёты по прогнозированию выпучивания свай по предлагаемому методу, сопоставленные с расчётами по нормативным документам и экспериментальными данными для призматических (А.А.Бартоломей), пирамидальных (В.С.Сажин), ромбовидных (К.А.Хамидуллин) свай, показали расхождение менее 25%.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечена:

- использованием общепринятых положений в теории упругости и механики грунтов, методов расчёта оснований и фундаментов, применением современного оборудования, достаточным объёмом исследований;

- выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных приборов.

Практическая значимость и реализация работы состоит в том, что:

1. Предложены:

- новое конструктивное решение двуконусной сваи, патентная новизна которой подтверждена патентом Российской Федерации на полезную модель (№ 42234 «Свая» от 27.11.04);

- инженерный метод расчёта свайных фундаментов по деформациям пучения, внедряемых в сезоннопромерзающие глинистые грунты.

2. Разработаны рекомендации по проектированию фундаментов из двуконусных свай, составлены рабочие чертежи свай и отработана технология их изготовления.

3. Результаты исследований:

- внедрены на объектах при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия ООО «Урал-Тайзер» г.Пермь;

- рекомендуется использовать в учебном процессе по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (Пермь, 2004-2010 гг.); на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П.Макеева (Екатеринбург, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Качество. Инновации. Наука. Образование» (Омск, 2005 г.); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного и трубопроводного транспорта в уральском регионе» (Пермь, 2005 г.); на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования,

строительства и эксплуатации автомобильных дорог (Пермь, 2005 г.); на международной научно-технической конференции (Украина, Ялта, 2006 г.). Личный вклад автора состоит в следующем:

- проведены лабораторные и полевые испытания двуконусных свай и их результаты сопоставлены с расчётными данными;

- разработан инженерный метод расчёта по деформациям пучения одиночных свай в сезоннопромерзающих глинистых грунтах;

- определена область применения двуконусных свай;

- в практическом внедрении результатов исследований.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментально-теоретических исследований взаимодействия двуконусных свай в сезоннопромерзающем глинистом грунте;

- инженерный метод расчёта свай по деформациям пучения, позволяющий определять расчётное выпучивание сваи с учётом её геометрических характеристик и свойств грунта;

- рекомендации в области применения двуконусных свай.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе получен патент на полезную модель, две статьи без соавторов и одна статья в журнале, входящем в перечень изданий ВАКа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа содержит 157 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 114 наименований, в том числе 8 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, её научная новизна, цели и задачи исследований, а также приведена общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе представлены обобщённые данные о явлении - морозное пучение. Проведён анализ и представлено обобщение современных данных о методах и мерах борьбы с негативным действием сил морозного пучения. Также приведены экспериментальные данные об устойчивости свай в пучинистых грунтах, сделаны анализ и обобщение методов расчёта фундаментов в сезоннопромерзающих грунтах по деформациям пучения.

К настоящему времени по проблеме морозного пучения грунта накоплен значительный материал и выполнены важные экспериментальные и теоретические исследования, которые нашли отражение в работах следующих авторов: Е.В.Андреевой, Н.Д.Белокрылова, Н.И.Быкова, О.К.Вострецова, Л.Б.Ганелеса, О.Р.Голли, М.Н.Гольдштейна, М.С.Гутмана, Б.И.Далматова, Ю.Д.Дубнова, К.Е.Егерева, Э.Д.Ершова, В.Ф.Жукова, И.А.Золотаря, В.Д.Карлова, М.Ф.Киселёва, В.О.Орлова, Н.А.Петрухина, В.Д.Пономарёва, А.М.Пчелинцева, Н.А.Пузакова, В.И.Пускова,

Н.Ф.Пыщева, О.Н.Ринка, В.С.Сажина, И.И.Сахарова, М.И.Сумгина, В.Г.Тишина, Н.А.Толкачёва, Н.Я.Тулаева, И.И.Туренко, Н.А.Тютюнова, В.Д.Филиппова, В.В.Фурсова, В.Я.Хаина, Н.А.Цытовича, М.Х.Чернышева, Н.В.Шейкина, Н.С.Штеренфельда и др.

Экспериментальным исследованием воздействия сил морозного пучения на фундаменты занимались следующие авторы: П.А.Аббасов, Р.Ш.Абжалимов, А.А.Бартоломей, В.И.Берман, А.И.Горковенко, В.Н.Зекин, А.М.Зильберглейт, В.И.Иванов, В.Д.Карлов, Б.М.Кассахун, М.Ф.Киселёв, П.А.Коновалов, М.Я.Крицкий, Г.Б.Кульчицкий, В.И.Меженский, Н.В.Орнатский, Б.Г.Петров, Т.А.Приказчикова, Г.М.Смиренский, К.А.Хамидуллин, В.Б.Швец, Н.С.Шикалович, В.Я.Шишкин, Б.С.Юшков и др.

Особое внимание уделено работам, посвященным разработке свай различных конструкций.

П.А.Аббассов предложил плоскопрофилированную сваю с большим количеством выступов на теле сваи.

Л.М.Зарбуев разработал инженерный метод расчёта фундаментов из забивных блоков по деформациям пучения, в основу которого положено условие равенства работ, совершаемых силами пучения и силами, препятствующими выпучиванию фундамента.

В.Н.Зекин выявил закономерности взаимодействия коротких бурона-бивных свай с пучинистыми грунтами, также разработал инженерный метод расчёта фундаментов из коротких буронабивных свай по деформациям пучения.

Г.Б.Кульчицкий разработал ромбовидную сваю, также автор совместно с К.А.Хамидуллиным и под руководством П.А.Коновалова предложил метод расчёта таких свай при условии устойчивости сваи в промерзающем грунте (уравнение равновесия).

В.Я.Шишкин приводит методику расчёта выпучивания пирамидальных свай, основанную на аналогии взаимодействия абсолютно жёсткого конусообразного включения с расширяющимся при нагревании цилиндром из упругого материала с пучинистым грунтом.

В глинистых грунтах наилучшую устойчивость при пучении проявляет ромбовидная свая. Однако две грани верхней части сваи не включаются в работу по снижению выпучивания. Наложение ежегодных выпучиваний сваи приводит к потере устойчивости конструкции. Учитывая этот недостаток, было решено разработать сваю с двумя разнонаправленными конусами (двуконусная свая). Двуконусная свая, помимо нейтрализации сил морозного пучения (верхний конус), передаёт нагрузку на грунт за счёт сил трения и реактивного отпора грунта по боковой поверхности нижнего конуса.

Анализ состояния вопроса показал, что известно большое количество мер, применение которых позволяет существенно снизить негативное воздействие сил морозного пучения на конструкции и повысить их устойчивость. Различные виды свай и методы их расчёта в пучинистых грунтах дают остаточные деформации, которые с течением времени накапливаются

при эксплуатации и вызывают появление трещин в стенах сооружений. На основании проведенного анализа были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе изложены методика, планирование и результаты экспериментов с моделями свай.

Проводились две серии экспериментов в лабораторных условиях: первая серия - для исследования устойчивости сваи различной конструкции в пучинистых грунтах при многократном промерзании-оттаивании; вторая серия - для исследования взаимодействия грунтового основания с двуко-нусными сваями. Эксперименты проводились в специально сконструированном лотке, в качестве грунта основания использовалась специально приготовленная глинистая паста.

Масштаб 110

1 2 3

+

«о

Р] ,»о "¡^ ■

+

030

М"*56

д

см

Рис.1. Геометрические характеристики маломасштабных свай

Используя научные наработки П.А.Коновалова, Г.Б.Кульчицкого, К.А.Хамидуллина по разработке ромбовидных свай, были изготовлены дву-конусные, конические и призматические сваи 1/10 натурной величины свай (рис.1). Критерием при выборе размеров свай был средний диаметр конической сваи. Модели свай были изготовлены из древесины твёрдых пород механическим способом. Для первой серии экспериментов был изготовлен специальный лоток в соответствии с ГОСТ 28622-90 - Метод лабораторного определения степени пучинистости.

В первой серии экспериментов было проведено 6 циклов промораживания-оттаивания. Исследованиям подверглись сваи № 4, 5 и 6 (см.рис.1).

По проведённым испытаниям очевидно, что наибольшую устойчивость при многократном промерзании-оттаивании испытывает свая № 4. Подъём сваи № 4 (двуконусная) ниже свай № 5 (призматическая) на 60% и № 5 (коническая) на 42%. Результаты подъёма свай № 5 и 6 практически одинаковы и относительная разница составляет 22,3%.

Во второй серии экспериментов ставилась задача рассмотреть и сравнить несущую способность моделей двуконусных, конических и призматических свай (№ 1, 2 и 3).

По результатам проведённых экспериментов установлено, что на осадку и несущую способность существенное влияние оказывает геометрия свай. Зависимости осадок свай от вертикальной нагрузки 5 = / (Р) носят нелинейный характер. Можно выделить три промежутка кривых. Первый промежуток - от нулевой нагрузки до 0,4 кН. На данном промежутке прослеживается линейный характер зависимости осадка-нагрузка, причём осадки призматических, двуконусных и конических свай практически совпадают. Второй промежуток - от нагрузки 0,4 кН до 1,0 кН. На данном промежутке осадки призматических свай меньше осадок двуконусных и конических свай, а при достижении нагрузки 0,8 кН осадки призматических и конусных свай и при 1,0 кН осадки призматических и двуконусных свай совпадают. Третий промежуток - от нагрузки 1,0 кН до предельных нагрузок.

Несущая способность двуконусной и конической свай выше на 31,0% и 40,8%, чем призматической при одинаковых осадках.

По результатам проведённых лабораторных испытаний выявлено, что рациональную конструкцию имеет двуконусная свая с длиной верхнего конуса 0,7 от нормативной глубины промерзания, что подтверждается исследованиями К.А.Хамидуллина, А.Л.Невзорова. Исследования несущей способности моделей свай (коническая, двуконусная и призматическая) показали, что существенное влияние оказывает геометрия боковой поверхности сваи. Изменение конструкции конической сваи в двуконусную привело к уменьшению: несущей способности на 7%; выпучивания при морозном пучении на 42%.

Третья глава диссертации содержит результаты натурных полевых экспериментальных исследований двуконусных и призматических свай, проведённых на одной опытной площадке.

Основной задачей при проведении полевых испытаний было изучить влияние морозного пучения окружающего грунта на устойчивость двуконусных и призматических свай.

Проводились два комплекса экспериментов с железобетонными сваями натурной величины (длина 3 м): первый комплекс - исследование устойчивости двуконусных и призматических свай в пучинистых грунтах; второй комплекс - исследование несущей способности и осадки двуконусных, конических и призматических свай в полевых условиях.

При исследовании устойчивости двуконусных свай в пучинистом грунте на опытной площадке до наступления зимнего периода устанавлива-

лись глубинные марки (марки-пучиномеры), поверхностные марки, неподвижные реперы и пробуривались скважины для последующего установления мерзлотомера (рис.2).

Экспериментальная площадка расположена в п.Осенцы Индустриального района г.Перми. Площадка расположена на 2-й надпойменной левобережной террасе р.Камы. Рельеф площадки ровный, отметки дневной поверхности изменяются от 118,20 до 117,70 м в системе высот гЛерми. Гео-лого-литологический разрез площадки следующий (сверху вниз):

1) глины светло-коричневые от тугопластичной до мяпсопластичной консистенции; мощность 2,6...4,1 м;

2) суглинки светло-коричневые тугопластичной и мягкопластичной консистенции; мощность 1,0...3,5 м;

3) пески рыхлые пылеватые водонасыщенные; мощность слоя неуста-новлена.

Показания марок и мерзлотомера снимались в зимний период один раз в неделю, также производился замер среднесуточной температуры воздуха. С периодичностью один раз в неделю снимался снежный покров для увеличения глубины промерзания, т.е. создание наиболее неблагоприятных условий для работы свай в пучинистом грунте.

1,5

Мерзл отомер

свая № 1

пмп

Репер

МП 0,5 £

МП 0,5

МП 1,0

свая № 2

Г

МП 1,0

0,5

МП 1,5

0,5

0,5

0,5

Л—

ПМП

1Л

о"

1,0

0,5

МП 1,5

Репер

0,5

1,0

Рис.2. Часть плана экспериментальной площадки: свая № 1 - двухонусная свая; свая № 2 - призматическая свая; ПМП - поверхностные марки; МП 0,5 - марки-пучиномеры на глубине 0,5 м; МП 1,0 - марки-пучиномеры на глубине 1,0 м МП 1,5 - марки-пучиномеры на глубине 1,5 м

По результатам наблюдений были составлены графики среднесуточной температуры, глубины промерзания грунта, подъёма различных слоёв грунта по глубине залегания и зоны влияния свай на подъём грунта вокруг них, а также зависимость подъёма свай различной конструкции по времени (рис.3).

А, мм

Рис.3. Зависимость подъёма свай по времени: 1 - двуконусная свая с засыпкой непучинистым грунтом; 2 - двуконусная свая с засыпкой пучинистым грунтом; 3 - призматическая свая (замеры не производились в летний период)

Анализ результатов экспериментов исследования устойчивости двуконусных свай в пучинистых грунтах показал, что двуконусные сваи работают устойчивее в сезоннопромерзающем грунте в отличие от призматических.

О 20 40 60 80 100 Р, кН

120 5, мм

Рис.4. Результаты статических испытаний свай: 1 - коническая свая; 2 - двуконусная свая; 3 - призматическая свая

При проведении второго комплекса было проведено исследование несущей способности и осадок свай. Испытания проводились с трёхметровыми полыми двуконусными, коническими и призматическими сваями в гли-

нах мягкопластичной консистенции. Исследования соответствовали методике статических испытаний свай вдавливающей нагрузкой согласно ГОСТ 5686-94 — Грунты. Методы полевых испытаний сваями. За предельную нагрузку принималось значение, равное осадкам свай, S=100 мм (согласно предельным осадкам жилых зданий).

По результатам испытаний были построены графики «осадка - нагрузка» (рис.4).

При достижении сваями осадок S=100 мм получили следующие наименьшие по величине нагрузки: коническая - 90,5 кН; двуконусная - 85,5 кН и призматическая - 78 кН.

Четвертая глава посвящена методу расчёта фундаментов из двуко-нусных свай по деформациям пучения при моделировании грунта как линейно деформируемого полупространства, а также сопоставлению результатов экспериментальных исследований с данными расчёта по предложенному методу пучении.

Не вдаваясь в физическую природу процессов послойного пучения грунта при промерзании, примем во внимание лишь конечный результат -увеличение объёма грунта при промерзании. Анализ процесса взаимодействия сваи с пучинистым грунтом сводится при этом к осесимметричной задаче определения усилий, возникающих на поверхности контакта абсолютно жёсткого конусообразного неподвижного включения, защемленного ниже глубины промерзания, с расширяющимся линейно деформируемым слоем грунта толщиной df (рис.5).

На бесконечно удаленной границе Г4 равны нулю радиальные перемещения и касательные напряжения ( lim U =0; lim т =0); на ниж-

r->oo r г —>оо rz ней границе слоя Гз равны нулю вертикальные перемещения и касательные напряжения (Uz = 0; = 0); поверхность грунта Гг свободна от нагрузок

(а* = 0; тк = 0); на поверхности контакта неподвижного конуса Г[ с грунтом предполагается полное прилипание (Ur = 0; U2 = 0).

Предположим далее, что при морозном пучении величина подъема слоев грунта линейно возрастает, начиная с глубины промерзания. Это означает, что объемная деформация фазовых превращений Зео есть постоянная величина.

В этом случае перемещения, вызываемые деформациями фазовых превращений Ео, совпадают с перемещениями, вызываемыми фиктивными распределенными по поверхности тела нормальными усилиями,

Е

Полное напряжение, вызываемое неоднородными деформациями фазовых превращений, получается с помощью наложения гидростатического давления р на напряжения, вызываемые вышеуказанными поверхностными силами.

При таком подходе деформация морозного пучения Ед, равна осевой деформации ег при растяжении линейно деформированного слоя толщиной Ь = с^ (глубина промерзания) равномерно распределённой поверхностной нагрузкой р,

где р =

2 \

1-

2v 1-v

Е (1 - 2v) df - коэффициент бокового расширения грунта,

hf - величина морозного пучения, определяемая по результатам натурных наблюдений или в соответствии с действующими нормативными документами.

Приводимые ниже выражения для перемещений и напряжений соответствуют расчётной схеме, представленной на рис.5, при £q = const.

Uf = I {Ь, [4(1 - v)K, (p,r) + K0(Pir)Pir]+d.K1 (P.OPJcosCP.z); ¡•i

и, = t {biK. (MPs + diK0(Pir)Pi }sin(PiZ) + C01z;

5r = S{bi[K1(3ir)p12r-K0(pir)2vPi]+djK0((3ir)(312}cos(Piz)+C0

2G ti

1-v l-2v'

K0 (p,r)p, (3 - 2v) - K, (p. rXPfr + 4(1 - v) -

r

+ d.

-K1(p,r)p1i-Ke(pir)pf r

xcos(PiZ) + C0

l-2v

K,(Pir)4(l-v)- + K0(pir)(l-2v)pi r

+ diK,(pir)pi- cos(PiZ) +

+ C„.

l-2v

= t К [- K0 (Pir)Pfr - K, (p,r)p, 2(1 - v)]- d,K, (P,r)Pf }sin(pjZ). 2(j i.i

Рассмотрим цилиндрическую сваю радиусом К, длиной 1. Глубина промерзания - df, подъём свободной поверхности грунта - Ь^

Смягчим условия на поверхности Г2, допустив, что равенство нулю а. на Г2 выполняется приближенно, и в окрестности линии пересечения поверхностей Г2 и Г1 возможно отличие а? от нуля (Нша'2 = 0; тп = 0). Тогда, принимая

' а,'

можно удовлетворить условиям на поверхностях Г2, Г3, Г4. При этом учитывается, что на свободной поверхности грунта Щг,с1г)=Ь5 тогда

Действующие на сваю сила морозного пучения Р° и погонная (по периметру) нормальная сила Р„ определяются следующим образом:

F2°=-2nRjT„dz = 2TiR.2G 2{bfP1[K0(Plr)P1r + KI(Pir)20-v)]+d;piK1(P1r)}^-

o ¡-1,3,5,... 711

F = Ja;dz= Kdz-dfp = -2GC0,df =-2G^-df =-2Ghf.

o o Qf

Для двуконусной сваи, принимая во внимание конструктивно обусловленную малость величин углов сбега конусов, расчёт сил морозного пучения проводится как для цилиндрической сваи при среднем по глубине промерзания df радиусе сваи RcP,

Опираясь на данные экспериментальных исследований, полагаем, что в процессе подъёма сваи на величину hz действующая на неё выталкивающая сила морозного пучения уменьшается прямо пропорционально величине относительного подъема hz/hf. Тогда установившаяся величина подъёма двуконусной сваи he при морозном пучении определяется выражением N + G + F • 2nR • tga + f^ • u(l - df)

hc = hr

1--

где Ьс - подъём сваи, м; Ье - подъём свободной поверхности грунта, м; N -нагрузка на сваю, кН; в - вес сваи, кН; - расчётное сопротивление грунта основания на боковой поверхности сваи, кН/м2; и - периметр сваи, м; 1 -длина сваи, м; а - угол сбега верхнего конуса, рад.

Осевая сила, вызываемая морозным пучением и препятствующая подъёму двуконусной сваи,

Рп=2тгКср-2СЬг-1ёа.

Заметим, что препятствующая подъёму сваи сила Рп, создаваемая нормальным давлением Р„, одновременно снижает на величину Р„ несущую способность двуконусной сваи в зимних условиях.

При выводе вышеприведенных соотношений предполагалось, что деформация фазовых превращений есть величина постоянная, т.е. ^сотЫ. При таком предположении величина подъёма последовательных, начиная с глубины промерзания, слоев грунта должна линейно возрастать. Однако это противоречит экспериментальным данным, поэтому необходимо использовать некоторое осреднённое значение величины деформации фазового превращения £о".

Предположим, что £о изменяется по глубине г линейно. В этом случае среднее значение деформации фазовых превращений определится как

с, = 1 к 0 2 р й/

Очевидно, то же самое получим, если при вычислении во вместо Ьг ввести понятие приведённой величины морозного пучения

К

Опираясь на экспериментальные данные, предположим, что касательные силы морозного пучения по боковой поверхности цилиндрической сваи распределены приблизительно по треугольному закону, отклоняясь от него лишь в 8-окрестности границы с поверхностью (в соответствии с рис.5). Это предположение позволяет «просуммировать» ряд для , и выражение для силы морозного пучения принимает вид

= 8110с1г {Ь(3[К0 ■ Яр + К, • 2(1 - V)]+ар • к,

о

При переходе от цилиндрической сваи к двуконусной имеет место качественное скачкообразное изменение характера напряженного состояния в окрестности угловой линии, образованной поверхностями Г] и Гг. При дальнейшем увеличении угла сбега верхнего конуса сваи характер напряженно-деформированного состояния качественно не меняется, изменяясь лишь количественно.

Максимальный возможный процент снижения сил морозного пучения есть отношение первого слагаемого ряда для тг2 к сумме всего ряда (записанного для цилиндрической сваи). Вычисления показывают, что при варьировании угла сбега верхнего конуса до 5° силы морозного пучения уменьшаются не более чем на 40%.

Предлагаемый инженерный метод показывает удовлетворительную степень достоверности прогнозируемого подъёма двуконусных свай. Относительная разность экспериментальных и расчётных данных составляет от 16,5 до 25,0%. За зимний период 2004/2005 гг. средний подъём двуконусных свай составил 10,5 мм (Р° = 265 кН), по предлагаемому методу подъём составит 12,6 мм, что показывает погрешность 16,5%. Соответственно, за зимний период 2005/2006 гг. экспериментальный подъём - 13,0 мм = 240 кН), расчётный подъём - 17,5 мм, что показывает погрешность 25%.

Для правильной оценки сил морозного выпучивания свай необходимо от условий полного прилипания на грани Г! перейти к условиям скольжения грунта по свае:

Ц, = 0; т0 = т5,

где т5 - предельное значение сцепления грунта с поверхностью сваи (где т5 - меньшее из двух сцеплений «непучинистый грунт - свая» или «непучинистый грунт - пучинистый грунт»); иа - смещение грунта, нормальное к поверхности сваи. При этом сила морозного пучения определяется как

Практически этого можно добиться, создавая между верхней конической частью сваи и естественным грунтом прослойку из рыхлого непучини-стого грунта (например, песка), заполняя им щель, образующуюся при забивке сваи между верхним конусом и грунтом.

При создании между верхней конической частью сваи и естественным грунтом прослойки из песчано-гравийной смеси средний подъём двуконус-

ной сваи за зимний период 2004/2005 гг. составил 0 мм (р£ = 0,9 кН), за зимний период 2005/2006 гг. - 0,9 мм = 0,7 кН).

В пятой главе даны предложения по проектированию и технологии изготовления двуконусных свай, приведено сравнение расчётных (в том числе по методикам других авторов) и экспериментальных значений подъёма и несущей способности двуконусных свай.

Полые двуконусные сваи изготавливаются методом центрифугирования на роликовых центрифугах с применением разъёмных форм и обладают рядом существенных преимуществ перед сваями, изготавливаемыми из вибрированного железобетона: обеспечиваются высокая механизация и автоматизация бетонных и арматурных работ; повышаются физико-механические характеристики бетона (прочность бетона повышается в 1,2... 1,5 раза); обеспечиваются высокое качество изделий и их полная заводская готовность; существенно снижается собственный вес конструкций; возможно применение полых двуконусных свай при слабо- и среднеагрес-сивных степенях воздействия.

Были выполнены расчёты по подъёму свай согласно «Рекомендациям по проектированию и устройству свайных фундаментов на пучинистых грунтах». В частности, взяты методы расчёта подъёма пирамидальных и коротких буронабивных свай круглого сечения с длиной 3 м. Все характеристики грунтов указаны в п.З диссертационной работы.

Средний расчётный подъём двуконусной сваи, вычисляемой по методике пирамидальной сваи составил 26,4 мм, по методике буронабивной сваи - 25,0 мм, по предлагаемому методу - 17,5 мм. Отклонения от экспериментальных данных составляют по методике пирамидальной сваи от 47,2 до 54,9%, по методике буронабивной - от 31,1 до 55,1%, по предлагаемому методу - от 16,5 до 25%.

Расчёт несущей способности двуконусной сваи следует проводить по формуле СНиП 2.02.03-85:

Р = т [я • А + £ /¡(«; • П + "о/ • Год] без учёта верхнего конуса. Сопоставление экспериментальных и расчётных данных показывает следующую погрешность: у призматической сваи -3,0%, у двуконусной - 7,3% и у конической - 1,8%.

Для оценки удельной несущей способности материала свай использовали коэффициент эффективности кэ, предложенный В.И. Фёдоровым,

рУД

и —

"-Э — рУД>

пр

где ^ - удельная несущая способность материала полой двуконусной сваи, кН/м3; ^ - удельная несущая способность материала призматической сваи, кН/м3. Удельная несущая способность материала свай определялась как отношение несущей способности сваи Г определённой конструкции, полученной расчётным путём с помощью таблиц СНиП 2.02.03-85, к объёму бетона V, необходимого для изготовления одной сваи.

Расчёт показывает, что удельная несущая способность материала дву-

конусных свай выше на 48-53%, чем у призматических равной длины.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния вопроса показывает, что известные методики определения сил морозного пучения, ориентированные обычно на исследование взаимодействия с промерзающим пучинистым грунтом призматических или конических свай, не отражают действительного характера работы двуконусных свай.

2. Экспериментально-теоретическими исследованиями установлена взаимозависимость касательных и нормальных напряжений, действующих на боковой поверхности двуконусных свай, которая позволила обосновать расчётную схему, отличающуюся от существующих учётом угла наклона а верхнего конуса от вертикали.

3. У двуконусной сваи придание верхней части сваи «отрицательного» (по отношению к силам трения грунта по боковой поверхности сваи) наклона позволило направить равнодействующую нормальных сил пучения грунта навстречу касательным и тем самым нейтрализовать воздействие последних на сваю (до 40%).

4. Разработанный инженерный метод расчёта по деформациям пучения в достаточной мере отражает действительный характер работы двуконусной сваи. Его применение даёт возможность реально оценить поведение свайных фундаментов в условиях сезонного промерзания. Точность разработанного метода подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований для глинистых грунтов (16,5-25,0%).

5. Для обеспечения надёжности свайных фундаментов неотапливаемых малонагруженных зданий и инженерных сооружений рекомендуется двуконусные сваи применять в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. Результаты выполненной работы использованы при разработке «Рекомендаций по проектированию и устройству фундаментов из двуконусных свай в пучинистых грунтах» и внедрены при обустройстве нефтегазовой скважины ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия ООО «Урал-Тайзер» (г.Пермь). Учтённый экономический эффект составляет порядка 240 тыс. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, включенных в перечень ВАКа 1. Юшков, Б.С., Добрынин А.О., Репецкий Д.С. Сваи для промерзающих грунтов // Жилищное строительство. - 2004. - № 8. - С. 10-12.

Патенты

2. Свая: пат. на пол. модель № 42234. / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин, Д.С. Репецкий; № 2004121946; заявл.20.07.04; опубл. 27.11.04.

Статьи в других печатных изданиях

3. Репецкий, Д.С. Новая конструкция сваи для сезоннопромерзающих глинистых грунтов / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин, Д.С. Репецкий // XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения академика В.П.Макеева: крат, сообщения / РАН УрО и др. - Екатеринбург, 2004. - С. 345-352.

4. Репецкий, Д.С. Виды свай для сезоннопромерзающих грунтов / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин, Д.С. Репецкий // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог: матер, науч.-техн. конф. - Пермь, 2004. - С. 20-26.

5. Репецкий, Д.С. Конструкции свай для сезоннопромерзающих глинистых грунтов / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин, Д.С. Репецкий // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды: матер, науч.-техн. конф. - Пермь, 2004. - С. 3-9.

6. Репецкий, Д.С. Новая конструкция сваи для водонасыщенных глинистых грунтов / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин, Д.С. Репецкий // Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов: тр. международ, геотехн. конф. - Алматы, 2004. - С. 729-732.

7. Репецкий, Д.С. Устройство опор линий электропередач на сезоннопромерзающих грунтах / Б.С. Юшков, Д.С. Репецкий // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды: матер. 3-й Всерос. науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. - Пермь, 2005. - С. 68-77.

8. Репецкий Д.С. Криогенные процессы в основании дорог / И.А. Афанасьев, А.М. Бургонутдинов, Б.С. Юшков, Д.С. Репецкий // Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного и трубопроводного транспорта в уральском регионе: матер, международ, науч.-техн. конф. -Пермь, 2005.-С. 16-21.

9. Репецкий, Д.С. Упрочнение земляного полотна Красавинского моста / Б.С. Юшков, Д.С. Репецкий // Проблемы механики грунтов и фундамен-тостроения в сложных грунтовых условиях: тр. международ, науч.-техн. конф.-Уфа, 2006.-Т.1.-С. 172-177.

Ю.Репецкий, Д.С. О свае для дорожного строительства / Б.С. Юшков, Д.С. Репецкий // Будивельш конструкцп: М1ЖВ1Д. наук.-техн. зб.: Буд1вництво в сесм1чних районах Украши / Державний науково-дослщний ин-т буд1вельних конструкцш. - Киев, 2006. - Вип. 64. - С. 620-625.

11.Репецкий, Д.С. Ресурсосбережение при строительстве опор контактной сети на пучинистых грунтах / Д.Л. Борисов, Е.Р. Лабутина, Д.С. Репецкий // Перспективы развития инноваций в энергосбережении: матер.

всерос. науч.-практ. конф. с международ, участием. - Пермь, 2008. - С. 213-217.

12.Репецкий, Д.С. Исследование взаимодействия маломасштабных двуко-нусных свай с окружающим глинистым грунтом // Современное состояние и инновации транспортного комплекса: матер, международ, науч.-техн. конф. - Пермь, 2008. - Т. 1. - С. 180-185.

И.Репецкий, Д.С. Обустройство фундаментов в нефтепромышленности / Б.С. Юшков, Д.С. Репецкий // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.-2008.-№ 12.-С. 15-18.

И.Репецкий, Д.С. Исследование взаимодействия натурных двуконусных свай с окружающим глинистым грунтом // Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. Вестник ПГТУ. - Пермь, 2010. -№ 1.-С. 105-114.

Подписано в печать 24.01.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 122/2011

Издательство

Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113 тел. (342) 219-80-33

Введение.

Глава 1. Морозное пучение грунта и влияние его на фундаменты зданий и сооружений.

1.1. Представление о морозном пучении.

1.2. Методы и мероприятия борьбы с морозным пучением.

1.3. Виды свай для уменьшения сил морозного пучения.

1.4. Экспериментальные данные о работе свай в пучинистых грунтах.

1.5. Проектирование оснований сооружений, возводимых на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.

1.6. Выводы по главе.

Глава 2. Исследование взаимодействия маломасштабных свай с окружающим глинистым грунтом.

2.1. Задачи и методика исследований.

2.2. Планирование эксперимента.

2.3. Модели свай, приборы и оборудование.

2.4. Исследование работы двуконусных свай с пучинистым грунтом.

2.5. Осадки и несущая способность модельных свай.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования двуконусных свай в полевых условиях.

3.1. Задачи и методика исследований. Приборы и оборудование

3.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки.

3.3. Исследование работы двуконусных свай в пучинистом грунте

3.4. Осадки и несущая способность натурных свай.

3.5. Исследование изменения несущей способности двуконусных свай во времени.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Методика расчёта сил морозного пучения двуконусной сваи при моделировании грунта как линейно-деформируемого пространства.

4.1. Постановка задачи. Основные уравнения.

4.2. Общее решение однородных уравнений Ламе при наличии осевой симметрии.

4.3. Построение частных решений неоднородных уравнений Ламе

4.4. Краевая задача для промерзающего грунта с жёстким включением - сваей.

4.5. Общий вид решения задачи о нагрузках морозного пучения на одиночную сваю в линейно упругой постановке.

4.6. Интегральная оценка сил морозного пучения, действующих на цилиндрическую сваю.

4.7. Некоторые справочные сведения о поведении решения уравнений Ламе в окрестности нерегулярной границы.

4.8. Сводка основных формул.

4.9. Примеры расчёта морозного пучения свай.

Сравнение с данными эксперимента.

4.10. Выводы по главе.

Глава 5. Рекомендации по изготовлению, проектированию и применению фундаментов из двуконусных свай.

5.1. Технология изготовления полых двуконусных свай.

5.2. Сравнение расчётных и экспериментальных значений несущей способности и подъёма двуконусных свай.

5.3. Экономическое обоснование применения двуконусных свай.

5.4. Назначение и область рационального применения фундаментов из двуконусных свай.

5.4. Выводы по главе.

Актуальность темы. Обширные территории Российской Федерации характеризуются продолжительным зимним периодом и значительной глубиной промерзания грунтов. Освоение природных богатств и энергетических ресурсов Урала и Сибири требует строительства новых гражданских и промышленных объектов, что приводит к использованию в качестве оснований водонасыщенных сезоннопромерзающих глинистых грунтов. При освоении таких районов возникает необходимость решения специальных задач по обеспечению прочности, устойчивости и долговечности зданий и инженерных сооружений, которые возводятся на пучинистые грунтах. Их решение связано с оценкой морозного пучения грунтов и его влиянием на состояние свай и свайных фундаментов.

Одним из наиболее распространённых способов возведения фундаментов в сезоннопромерзающих грунтах является погружение свай значительно ниже границы сезонного промерзания, а это повышает до 15-20% стоимость возведения фундамента лёгких зданий и неотапливаемых сооружений.

Выполненные многочисленными авторами экономические сравнения вариантов фундаментов в различных грунтовых условиях свидетельствуют о высокой эффективности применения фундаментов из свай распорного типа.

Требованиям устойчивости свай в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах наиболее полно отвечают двуконусные сваи1, разработанные в результате теоретического анализа сил, действующих на сваю при промерзании. Такие сваи позволяют существенно уменьшить негативное влияние касательных сил морозного пучения и обеспечить устойчивость свайных фундаментов из двуконусных свай для неотапливаемых малонагруженных зданий и инженерных сооружений. Однако до настоящего времени вопросам

1 Двуконусная свая - это свая, которая включает ствол, состоящий из верхней сужающейся кверху части, расположенной в зоне сезоннопромерзающего фунта, и сужающейся книзу части, расположенной ниже зоны сезоннопромерзающего грунта (патент на полезную модель № 42234 «Свая»), оценки работы двуконусных свай в пучинистых грунтах уделялось недостаточно внимания.

Расчёты, выполненные по нормативным документам, дают результаты прогнозирования деформаций фундаментов из двуконусных свай с большим отклонением от фактических, поэтому работа является актуальной.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ПГТУ (код по ГРНТИ: 67.11.29, заказ-наряд №1012).

Объект исследований - полая двуконусная железобетонная свая заводского изготовления, устраиваемая в пучинистых грунтах, преимущественно глинистых, которые по существующей классификации относятся к сильно- и среднепучинистым.

Предмет исследований - взаимодействие двуконусной сваи с пучини-стым грунтом на этапе её эксплуатации.

Цель диссертации - на основе экспериментальных и теоретических исследований оценить работу двуконусных свай в пучинистых грунтах и разработать метод расчёта свай по деформациям пучения, обеспечивающий надёжность проектирования свайных фундаментов для неотапливаемых малоэтажных зданий и инженерных сооружений в сезоннопромерзающих грунтах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать методику и провести экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях устойчивости двуконусных свай в пучинистых грунтах при многократном промерзании-оттаивании: обосновать рациональный тип двуконусной сваи по геометрическим характеристикам для практического использования.

2. Выполнить экспериментальные исследования определения несущей способности призматических, конических и двуконусных свай в глинистых грунтах и выявить влияние геометрических характеристик на их работу при действии статической вдавливающей нагрузки.

3. Разработать метод расчёта свай по деформациям пучения; сопоставить результаты, полученные по предложенному методу, со своими экспериментальными данными и данными, полученные по другим методикам, и расчётами по нормативной литературе.

4. Провести опытно-промышленную апробацию результатов исследований при проектировании свайных фундаментов из двуконусных свай на пучи-нистых грунтах для неотапливаемых малоэтажных зданий и инженерных сооружений; сформулировать область применения двуконусных свай по грунтовым условиям и типам зданий, сооружений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. В полевых и лабораторных экспериментальных исследованиях установлены закономерности взаимодействия двуконусной сваи с талым и промерзающим пучинистым грунтом.

2. Установлено, что при замерзании грунта выпучивание двуконусных свай нейтрализуются как силами трения по боковой поверхности талого грунта (60%), так и силами, создаваемыми нормальными напряжениями при промерзании (40%), направленными под углом навстречу касательным силам (эффективность нейтрализации пропорциональна углу наклона верхнего конуса (2-5°).

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что при взаимодействии рекомендуемых свай с талым глинистым грунтом несущая способность на 14-18% больше, чем у призматической, при одинаковых осадках, за счёт распорной конструкции нижней части двуконусной сваи. Кроме того, удельная несущая способность материала двуконусной сваи в среднем на 48-53% выше, чем у призматических свай аналогичной длины.

4. Разработан инженерный метод расчёта свай по деформациям пучения при моделировании грунта как линейно деформированного полупространства.

Расчёты по прогнозированию выпучивания свай по предлагаемому методу, сопоставленные с расчётами по нормативным документам и экспериментальными данными для призматических (А.А.Бартоломей), пирамидальных (В.С.Сажин), ромбовидных (К.А.Хамидуллин) свай, показали расхождение менее 25%.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечена:

- использованием общепринятых положений в теории упругости и механики грунтов, методов расчёта оснований и фундаментов, применением современного оборудования, достаточным объёмом исследований;

- выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных приборов.

Практическая значимость и реализация работы состоит в том, что:

1. Предложены:

- новое конструктивное решение двуконусной сваи, патентная новизна которой подтверждена патентом Российской Федерации на полезную модель (№ 42234 «Свая» от 27.11.04);

- инженерный метод расчёта свайных фундаментов по деформациям пучения, внедряемых в сезоннопромерзающие глинистые грунты.

2. Разработаны рекомендации по проектированию фундаментов из дву-конусных свай, составлены рабочие чертежи свай и отработана технология их изготовления.

3. Результаты исследований:

- внедрены на объектах при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия ООО «Урал-Тайзер» г.Пермь;

- рекомендуется использовать в учебном процессе по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (Пермь, 2004-2010 гг.); на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П.Макеева (Екатеринбург, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Качество. Инновации. Наука. Образование» (Омск, 2005 г.); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного и трубопроводного транспорта в уральском регионе» (Пермь, 2005 г.); на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (Пермь, 2005 г.); на международной научно-технической конференции (Украина, Ялта, 2006 г.). Личный вклад автора состоит в следующем:

- проведены лабораторные и полевые испытания двуконусных свай и их результаты сопоставлены с расчётными данными;

- разработан инженерный метод расчёта по деформациям пучения одиночных свай в сезоннопромерзающих глинистых грунтах;

- определена область применения двуконусных свай;

- в практическом внедрении результатов исследований.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований кандидату технических наук, профессору Б.С.Юшкову, а также сотрудникам кафедр оснований, фундаментов и мостов, строительство автомобильных дорог, а также кафедре строительные и дорожные машины Пермского государственного технического университета.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментально-теоретических исследований взаимодействия двуконусных свай в сезоннопромерзающем глинистом грунте;

- инженерный метод расчёта свай по деформациям пучения, позволяющий определять расчётное выпучивание сваи с учётом её геометрических характеристик и свойств грунта;

- рекомендации в области применения двуконусных свай.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе получен патент на полезную модель, две статьи без соавторов и одна статья в журнале, входящем в перечень изданий ВАКа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа содержит 164 страниц машинописного текста, 39 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 114 наименований, в том числе 8 на иностранном языке.

Основные выводы

1. Анализ современного состояния вопроса показывает, что известные методики определения сил морозного пучения, ориентированные обычно на исследование взаимодействия с промерзающим пучинистым грунтом призматических или конических свай, не отражают действительного характера работы двуконусных свай.

2. Экспериментально-теоретическими исследованиями установлена взаимозависимость касательных и нормальных напряжений, действующих на боковой поверхности двуконусных свай, которая позволила обосновать расчётную схему, отличающуюся от существующих учётом угла наклона а верхнего конуса от вертикали.

3. У двуконусной сваи придание верхней части сваи «отрицательного» (по отношению к силам трения грунта по боковой поверхности сваи) наклона позволило направить равнодействующую нормальных сил пучения грунта навстречу касательным и тем самым нейтрализовать воздействие последних на сваю (до 40%).

4. Разработанный инженерный метод расчёта по деформациям пучения в достаточной мере отражает действительный характер работы двуконусной сваи. Его применение даёт возможность реально оценить поведение свайных фундаментов в условиях сезонного промерзания. Точность разработанного метода подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований для глинистых грунтов (16,5-25,0%).

5. Для обеспечения надёжности свайных фундаментов неотапливаемых малонагруженных зданий и инженерных сооружений рекомендуется двуконусные сваи применять в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. Результаты выполненной работы использованы при разработке

Рекомендаций по проектированию и устройству фундаментов из двуконусных свай в пучинистых грунтах» и внедрены при обустройстве нефтегазовой скважины ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия ООО «Урал-Тайзер» (г.Пермь). Учтённый экономический эффект составляет порядка 240 тыс. рублей.

1. Абжалимов Р. Ш. К расчёту свай и свайных ростверков на пучинистых грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2006. — № 2. С.25-30.

2. Абжалимов Р. Ш. Лабораторные исследования морозного пучения // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1995. № 5. С.20-22.

3. A.c. № 691522 СССР, МКИ Е 02 D 5/22. Опора, возводимая на пучинистых грунтах / А. И. Горжени, Я. В. Солодовник, А. Я. Солодовник. -Опубл. 15.10.1979.-Бюл.№ 38.

4. A.c. № 779505 СССР, МКИ Е 02 D 5/22. Опора, возводимая на пучинистых грунтах / А. И. Горжени. Опубл. 15.11.1980. - Бюл.№ 42.

5. A.c. № 885445 СССР, МКИ Е 02 D 27/32. Фундамент зданий, сооружений / В. А. Кузюрин, В. А. Степанов, JI. П. Чернышева. — Опубл. 30.11.1981. — Бюл.№> 44.

6. A.c. № 945282 СССР, МКИ Е 02 D 5/22. Свая / А. И. Горжени. Опубл. 23.07.1982. - Бюл.№ 27.

7. A.c. № 953106 СССР, МКИ Е 02 D 27/32. Фундамент зданий, сооружений / В. А. Кузюрин, В. А. Степанов, JI. П. Чернышева. — Опубл. 23.08.1982. -Бюл.№ 31.

8. A.c. № 1240093 СССР, МКИ Е 02 D 5/30. Свая / М. И. Фидаров, И. Д. Зан-гиева, В. И. Тибилов, В. И. Пензев. Опубл. 20.08.1984. - Бюл.№ 23.

9. Бируля А. К. Сезонные изменения влажности и плотности уплотнённого грунта в дорожном полотне. Труды ХАДИ, Вып. 18. 1956.

10. Боженова А. П. Некоторое развитие опытов Тэбера по пучению грунтов с вертикальной слоистостью. Труды геологического института АН СССР, Вып. 22.- 1940.

11. Быков Н. И. Вечная мерзлота и строительство на ней / Н. И. Быков, П. Н. Каптерев — М.: Трансжелдориздат. 1940.

12. Веселов В. В. Методика расчёта теплоизолированных фундаментов на се-зонно промерзающих грунтах: дис. канд. техн. наук. Екатеринбург, 2003. - 148с.

13. Вострецов О. К. Исследование работы свайных фундаментов опор линий электропередачи и подстанций в промерзающих пучинистых грунтах: дис. канд. техн. наук. — М., 1979. 201 с.

14. Вострецов О. К. К расчёту устойчивости малонагруженных свай в промерзающих пучинистых грунтах / О. К. Вострецов, А. А. Бартоломей, С. Я. Гусман // Тр. Пермск. политехнический ин-т, с. 114-119.

15. Вялов С. С. Прочность и ползучесть мёрзлых грунтов и расчёты льдог-рунтовых ограждений. М.: АН СССР, 1982. - 254 с.

16. Вялов С. С. Реологические свойства и несущая способность мёрзлых грунтов. М.: АН СССР, 1959. - 120 с.

17. Габлия Ю. А. Фундаменты опор линий электропередачи в сложных грунтовых условиях. -М.: Энергоиздат, 1981. — 192 с.

18. Голли О. Р. Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве: дис. д-ра техн.наук. Санкт-Петербург, 2000. — 370 с.

19. Гольдштейн М. И. Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании. М.: Трансжелдориздат, 1948. 211 с.

20. Гольцов В.М. Воздействие касательных сил морозного пучения грунтов на забивные сваи в период строительства: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Пермь, 1999. - 20 с

21. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Госстандарт, 1985. — 24 с.

22. ГОСТ 5686-94. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. М.: Госстандарт, 1996. - 63 с.

23. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Госстандарт, 1997. — 24 с.

24. ГОСТ 24847-81. Грунты. Методы определения глубины сезонного промерзания. М.: Госстандарт, 1987. - 10 с.

25. ГОСТ 26262-84. Грунты. Методы полевого определения глубины сезонного оттаивания. М.: Госстандарт, 1985. - 5 с.

26. ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пу-чинистости. -М.: Госстандарт, 1990. — 13 с.

27. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. -М.: Госстандарт, 1997. 30 с.

28. Гуторова О. П. Влияние снежного покрова на промерзание грунтов в Приморском крае и учёт его в строительстве: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Владивосток, 1961. - 17 с.

29. Далматов Б. И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундамент сооружений. Л.: Госстройиздат, 1957. 60 с.

30. Далматов Б. И. Устройство газопроводов в пучинистых грунтах. / Б. И. Далматов, В. С. Ласточкин Л.: Стройиздат, 1978. — 199 с.

31. Дубнов Ю. Д. Скорость пучения грунтов у боковой поверхности фундаментов // Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружений от его воздействия. М., 1967. Вып. 62. - С. 55-73.

32. Елгин Е. В. Исследование морозного пучения грунтов и его воздействие на фундамент в условиях Читинской области // Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах: Тез. докл. и сообщ. все-союзн. сов. в г.Воркуте. М., 1981. С. 194.

33. Елтышев В.А. Напряжённо-деформированное состояние оболочечных конструкций с наполнителем. М.: Наука, 1981. 120 с.

34. Ершов Э. Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в дисперсных породах. М.: Изд-во Моск.ун-та, 1979. - 213 с.

35. Жуков В. Ф. Земляные работы при строительстве фундаментов и оснований в области вечной мерзлоты. М.: Изд-во АН СССР, 1946.

36. Б. И. Завалий // Совершенствование проектирования и устройства свайных фундаментов: Материалы науч.техн.совещания. Саратов, Изд-во Саратовского ун-та, 1977. - С. 23-28.

37. Киселев М. Ф. Мероприятия против деформаций зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов. М.: Госстрой СССР, НИИОСП, 1971. - 104 с.

38. Костиненко Г. И. Мероприятия против морозного выпучивания фундаментов. М.: Госстройиздат, 1982.

39. Кульчицкий Г.Б. Экспериментально-теоретическое развитие методов оптимального проектирования свайных фундаментов с учетом их надежности: автореф. дис. д-ра техн. наук. Пермь, 1994. - 57 с.

40. Маров Э. А. Определение касательных и нормальных сил морозного пучения в полевых условия // Материалы по проектированию сложныхфундаментов и оснований и по производству изысканий: Сб.науч.тр. / Фундаментпроект М., 1974. - Вып. 14. - С. 40-49.

41. Мельников Б. Н. Зависимость морозного пучения элювиальных глинистых грунтов Урала от влажности, гранулометрического и минералогического состава // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1966. — № 1. -С. 12-13.

42. Мерзлотные явления в грунтах: сб. статей, пер. с англ. Б. Н. Достовало-ва, 1955.

43. Невзоров А. Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. Учебное пособие / М.: Изд. АСВ, 2000. 152 с.

44. Нерсесова 3. А. Влияние обменных катионов на фазовый состав воды в мёрзлых грунтах. М.: Изд-во АН СССР, 1957.

45. Орлов В. О. Закономерности морозного пучения грунтовых оснований и методы его оценки в практике строительства: дис. д-ра техн. наук. М., 1977.-465 с.

46. Орлов В. О. Криогенное пучение тонко дисперсных грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1962.-187 с.

47. Орлов В. О. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений / В. О. Орлов, Ю. Д. Дубнов, Н. Д. Меренков. -М.: Стройиздат, 1977. 176 с.

48. Орлов В. О. Расчёт оптимальной толщины песчано-гравийной подсыпки в условиях морозного пучения грунтов оснований под незаглубленнымифундаментами малоэтажных зданий // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1999. № 3. - С. 23-27.

49. Павлов А. В. Теплообмен промерзающих и протаивающих грунтов с атмосферой. М.: Наука, 1965. - 254 с.

50. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости. М.: Наука, 1981.-688 с.

51. Перетрухин Н. Н. Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружений от его воздействий. М.: Транспорт, 1967. Вып. 62. - С. 25-54, 7499.

52. Петров В. С. Природа и закономерности развития деформаций пучения в промерзающих и оттаивающих дисперсных грунтах: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1981. - 24 с.

53. Пономарёв А. Б. Экспериментально-теоретические основы прогноза осадок и несущей способности фундаментов из свай.: дис. д-ра техн. наук.-Пермь, 1999. с.

54. Производство земляных работ. Справочное пособие / М.: Стройиздат, 1971.- 156 с.

55. Пчелинцев А. М. Строение и физико-механические свойства мёрзлых грунтов. М.: Наука, 1964. 260 с.

56. Радд Ф. Д. Экспериментальные исследования давления на механизм морозного пучения и расплавления льда в грунтах и ледниках / Ф. Д. Радб, Д. X. Ортле // II Международная конференция по мерзлотоведению. Якутск, 1975. Вып. 8. - С. 232-243.

57. Рекомендации по применению высокомолекулярных соединений в борьбе с морозным выпучиванием фундаментов. -М.:, 1969.

58. Рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов на пучинистых грунтах. — М.:, 1989. — 16 с.

59. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечно-мёрзлых грунтах. М.: Стройиздат, 1980. 86 с.

60. Сажин В. С. Взаимодействие пирамидальных свай с пучинистыми грунтами /B.C. Сажин, В. Я. Шишкин // Проектирование и инженерные изыскания, 1986. № 1. - С. 32-34.

61. Сажин В. С. Исследование взаимодействия фундаментов с пучинистыми грунтами зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения /B.C. Сажин, В. В. Борщев, А. В. Сажин // Методы статических и теплофизиче-ских расчётов. М., 1961. С. 68-78.

62. Сажин В. С. Применение фундаментов из коротких пирамидальных свай в пучинистых грунтах / В. С. Сажин, В. Я. Шишкин // Инф.листок Мос-облЦНТИ. М., 1984. - С.2.

63. Сафонов А. П. Исследование выпучивания свай при промерзании грунта // Проблемы устройства оснований и фундаментов Тобольского нефтехимического комплекса: Тез. докл. научно-практической конференции. -Тюмень, 1976. С.43-45.

64. СНиП 2.02.01-83 (2000). Основания зданий и сооружений. -М.: Госстрой, 2000. 66 с.

65. СНиП 23.01-99. Строительная климатология. М.: Госстрой, 2000. - 65 с.

66. Старовойтов П. В. Производство земляных работ в зимнее время. Бюл. строит, техники, 1949. — № 19.-С. 15-19.

67. Сумгин М. И. Общее мерзлотоведение / М. И. Сумгин, С. П. Качурин, Н. И. Толстихин, В. Ф. Тумель М.: Изд-во АН СССР, 1940.

68. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Нпука, 1975. 576 с.

69. Тишин В. Г. Определение сил морозного пучения // Тр. НИИОСП, М.: 1983.-№ 6.-С. 13-15.

70. Толкачёв Н. А. Фундаменты в пучинистых грунтах // Жилищное строительство. 1977. - № 3. - С. 19-20.

71. Толмачёв Н. А. Экспериментальные исследования нормальных сил морозного пучения грунтов // Мероприятия против морозного пучения грунтов и его вредное влияние на фундаменты: сб. науч. тр. НИИОСП -М., Стройиздат, 1963. Вып. 52.-С. 91-116.

72. Тулаев А. Я. Теория и практика назначения морозоустойчивых и дренирующих слоёв дорожных одежд: Автореф. дис. . д-ра. техн. наук. М., 1966.-с.

73. Туренко Н. Н. Теоретическое исследование взаимодействия промерзающего пучинистого грунта с боковой поверхностью столбчатого фундамента: дис. канд. техн. наук. JL, 1973. - С. 102-117.

74. Тютюнов И. А. Природа миграции воды в грунтах при промерзании и основы физико-химических приемов борьбы с пучением / И. А. Тютюнов, 3. А. Нерсесова. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - С. .

75. Тютюнов Н. А. Пучение грунтов и количественная оценка этого процесса //Тр. НИИОСП, М., 1981.-Вып. 76.-С. 143.

76. Тяжелов В. П. Производство земляных работ в зимнее время / В. П. Тя-желов, Е. В. Шнипко. М.: Госстройиздат, 1958. - 177 с.

77. Утенков В. Ф. Подготовка грунта к экскавации в зимнее время // Строительная промышленность, 1950. № 9. - С. 19-20.

78. Федоров В. И. Процессы влагонакопления и морозоопасность грунтов в строительстве. Владивосток: ДальНИИС, 1993. -178 е.

79. Федоров В. И. Фундаменты в экстремальных природных условиях Дальнего Востока и Сибири (исследования, поиски, открытия) / В. И. Федоров, Н. Я. Федорова. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. - 292 с.

80. Федосов А. Е. Физико-механические процессы в грунтах при их промерзании и оттаивании. М.: Трансжелдориздат, 1935.-е.

81. Фельдман Г. М. Передвижение влаги в талых и промерзающих грунтах. Новосибирск: Наука, 1988. 254 с.

82. Хамидуллин К. А. Исследование работы ромбовидных свай в сильносжи-маемых пучинистых грунтах: дис. канд. техн. наук. М., 1978. - с.

83. Хархута Н. Я. Деформации грунтов дорожных насыпей / Н. Я.,Хархута, Ю. М. Васильев. М.: Автотрансиздат, 1957. - с.

84. Хархута Н. Я. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна / Н. Я. Хархута, Ю. М. Васильев. М.: Транспорт, 1975. - 283 с.

85. Хейли Дж. Ф. Изучение мерзлотных воздействий в грунтах в холодильной камере. / Дж. Ф. Хейли, Ч. У. Каплар — В кн.: Мерзлотные явления в грунтах пер.с англ.. М.: Изд-во иностр. лит., 1955. - С. 297-322.

86. Цытович Н. А. Механика мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1973. — 448 с.

87. Цытович Н. А. Основания механики мёрзлых грунтов / Н. А. Цытович, М. Н. Сумгин. М.: АН СССР, 1937. - 640 с.

88. Швец В. Б. Фундаменты мелкого заложения на Урале. Свердловск: Средне-Уральское изд-во, 1965. С. 118.

89. Шишкин В. Я. Взаимодействие пирамидальных свай с сезоннопромер-зающими пучинистыми грунтами: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -М., 1986.-20 с.

90. Щёколов В. К. К расчёту нормативных глубин сезонного промерзания и оттаивания грунта // Прочность, устойчивость и тепловое взаимодействие с грунтом фундаментов на естественном основании: сб. науч. тр. НИИОСП-М., 1981.-Вып. 76.-С. 96-98.

91. Fukuda М. Preliminary results of frost heave experiments using standard test sample provided by TC8 / M. Fukuda, H. Kim, Y. Kim // Proceeding of the International Symposium on Ground Freezing and Frost Action in Soils. 1997. -p. 25-30.

92. Kinoshita S. Observations of frost heavin action in the experimental site / S. Kinoshita, Y. Suzuru. Tomaramai, Japan: Proc.3-rd I-nt Conf. Permafrost, Edmonton, 1978.-p. 675-678.

93. Ladanyi B. Freezing pressure development on a buried chilled pipeline / B. Ladanyi, M. Shen // Proceedings of the 2nd International Symposium on frost in Geotechnical Engineering. 1993. - p. 23-33.

94. Michalowski R. L. Frost heave modeling using porosity rate function / R. L. Michalowski, Z. Ming // International journal for numerical and analytical methods in geomechanics. 2006. - p. 703-722.

95. Michalowski R. L. Modeling of freezing in frost-susceptible soils / R. L. Michalowski, Z. Ming // Computer assisted mechanics and engineering science. 2006. — p. 613-625.

96. Selvadurai A. P. S. Computational modeling of frost heave induced soil-pipeline interaction: Modeling of frost heaving / A. P. S. Selvadurai, J. Ни, I. Konu // Cold regions science and technology. — 1999. p. 215-228.

97. Sheng D. Frost heave due to ice lens formation in freezing soils. Theory and verification / D. Sheng, K. Axelsson, S. Knuttson // Nordic hydrology. 1995. -p. 125-146.

98. Taber S. The Mechanics of frost having. Journal of Geology, 1930. № 4.

99. Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский государственный технический университетг.Пермь, 614990, Комсомольский проспект, 29. Тел. (342) 219-80-67

100. При внедрении использован патент на полезную модель № 42234 «Свая» от 27.11.2004 г.

101. Экономический эффект составил 240 тыс. рублей.

102. Представители ООО «Урал-Тайзер»удымов С.^.1. Исполнители НИР