автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Расчет и проектирование свайных фундаментов на основе теории надежности

¡46 од

_ 9 лвг та

московский

государственный строительный университет

На правах рукописи

СИРОЖИДДИНОВ ЗАЙНИДДИН Кандидат технических наук, доцент

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Специальность 05.23.02 — Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Л\оскпа — 1993

Работа выполнена в Московском Государственном строительном университете.

Научный консультант — чл.-корр. Международной инженерной академии, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор УХОВ Сергей Борисович

Официальные оппоненты — чл.-корр. РАН, академик Международной инженерной академии, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор БАРТОЛОМЕЙ Адольф Александрович

— чл.-корр. Международной инженерной академии, доктор технических наук, профессор СОБОЛЕВ Дмитрий Николаевич

— доктор технических наук, профессор САЖИН Владимир Степанович

Ведущая организация — НИИОСП им. Н. М. Герсеванова.

Защита состоится « » 1993 г. в

часов на заседании специализированного совета Д 053.11.05 при Московском Государственном строительном университете по адресу: Москва, Спартаковская ул., д. 2, МГСУ, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ.

Просим Вас принять участие в защите и Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, направить по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, Ученый Совет МГСУ.

Автореферат разослан « » 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор

А. Л. Крыжановский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность решаемой проблемы. Для современного строительства характерно увеличение нагрузок, передаваемых сооружениями на фундаменты и использование менее благоприятных грунтовых условий в качестве оснований. Это вынуждает специалистов все чаше применять свайные фундаменты, что обеспечивает передачу нагрузки от сооружения на более прочные нижележащие грунты основания.

Из общего объема применяемых в настоящее время свай более 90Ж составляют забивные сваи (Б.В.Бахолдин, 1987). Разработанная в последнее время отечественными специалистами безотходная технология их погружения обеспечивает широкую возможность типизации, конструкций для централизованного заводского изготовления. В то же время, одним из возможных путей дальнейшего повышения эффективности применения свайных фундаментов является совершенствование методов их расчета.

Конечной целью любого расчета, в т.ч. расчета по предельным состояниям, является обеспечение надежности и экономичности проектных решений. Расчет свайных фундаментов по несущей способности производится не только для проверки наиболее опасного предельного состояния, каким является потеря несущей способности, но и для установления исходных параметров, используемых при расчете их по деформациям грунтового основания.

Однако, большинство . исследований, посвященных как несушей способности одиночных свай, так и учитывающих их взаимовлияние, проведено без учета статистической изменчивости характеристик грунтов и параметров внешних нагрузок. Анализ проектных решений одних и тех же сооружений в разных грунтовых условиях и при разных типоразмерах свай показал, что существующими методами расчета закладывается разный уровень надежности, в большинстве случаев завышенный, что приводит к менее экономичным решениям, иногда заниженный, что сопряжено с риском. Один из реальных путей дальнейшего совершенствования существующих методов оценки несущей способности свайных фундаментов представляется возможным на основе вероятностного подхода.

Решение этой проблемы имеет важное народнохозяйственное значение и позволит более полно и дифференцировано использовать несущую способность свайных фундаментов, что даст возможность проектировать их более надежными и экономичными.

Поскольку указанная проблема является одной кз основных в свайнс фундаментостроении, что.подтверждается рекомендациями, принятыми треь последними Всесоюзными и Международными конференциями (1988, 199С 1992 гг), посвященными проблемам свайного фундаментостроении исследование направленное на ее решение следует считать актуальным.

Цель диссертации заключается в совершенствовании методов расчет несушей "способности одиночных свай и проектирования свайны фундаментов при центральных и внецентренных нагрузках, разработк методов количественной оценки их уровней надежности с учетом степен ответственности проектируемых зданий и сооружений и взаимовлияния сва в составе фундамента.

Научная новизна работы состоит в том, что впервы разработаны методы оценки несущей способности одиночных свай и свайны фундаментов при центральных и внецентренных нагрузках на основе- теори; надежности с учетом степени ответственности проектируемых зданий I сооружений. При этом решены следующие задачи:

разработана методика, позволяющая определить непосредствен^ несущую способность по результатам стандартных испытаний свай пробно! статический нагрузкой, минуя предельное сопротивление;

предложена методика, обеспечивающая более точное разделен» несущей способности свай на сопротивление острия и боковой поверхност! по результатам параллельных испытаний свай пробной статическо! нагрузкой;

разработана методика вероятностно-статистической обработки результатов испытаний свай пробной статической нагрузкой;

составлены таблицы нормативных сопротивлений грунтов под острие!, и по боковой поверхности свай, а также табулированы их статистические параметры изменчивости по глубине в зависимости: дл? пылевато-глинистых грунтов от показателя текучести и коэффициенте пористости, для песчаных грунтов от крупности и плотности сложения;

предложен метод расчета нес^шэй способности одиночных свай при центральной и свайных фундаментов при центральной и внецентренной нагрузках с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений;

на основе параметрической теории надежности разработана методика оценки уровня надежности несущей, способности одиночных свай при центральной и свайных фундаментов при центральной и внецентренной нагрузках.

На защиту выносятся:

1. Критерий оценки несушей способности свай по результатам стандартных испытаний статической нагрузкой и методика ее разделения на сопротивление под острием и по боковой поверхности.

2. Методика и результаты вероятностно-статистической обработки значений сопротивления грунтов под острием и по боковой поверхности на основании обобщений 11,5 тысяч испытаний натурных свай пробной статической нвгрузкой.

3. Методика определения нормативных и расчетных сопротивлений грунтов под острием и по боковой поверхности свай при различной доверительной вероятности.

4. Оценка несущей способности свай при центральной нагрузке, а также свайных фундаментов при центральной и внецентренной нагрузках с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений.

5. Методика и результаты оценки уровня надежности несушей способности одиночных свай при центральной нагрузке, а также свайных фундаментов при центральной и внецентренной нагрузках.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке методов расчета и проектирования свайных фундаментов на неоднородных основаниях при центральной и внецентренной нагрузках с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений. Это позволяет в одних случаях повысить передаваемые нагрузки на фундаменты до 2 и более раз, а в других - предотвратить опасность потери несущей способности. Разработанные методы также позволяют проектировать свайные фундаменты с заданным уровнем надежности, соответствующим уровню надежности проектируемых зданий и сооружений, что приведет к сокращению расхода материалов и трудозатрат при возведении фундаментов.

Предложенные методы расчета доведены до формы, удобной для практического применения. С целью облегчения расчетов составлены соответствующие таблицы, которые в максимальной степени сокращают трудоемкость вычислений, а также приводятся многочисленные примеры, иллюстрирующие выполнение необходимых расчетов.

Достоверность научных результатов. Рекомендуемые расчетные характеристики основаны на статистической обработке результатов 11.5 тысяч испытаний натурных свай пробной статической нагрузкой, выполненной автором в соответствии с аппаратом теории вероятностей. Полученные результаты также подтверздаются многочисленными сравнениями с данными испытаний натурных свай и свайных фундаментов статической

нагрузкой, не включенными в статистическую обработку, а также с приведенными в литературе экспериментальными данными других авторов.

Реализация работы. Результаты исследований включены во "Временные технические указания по расчету, проектированию и производству работ по свайным фундаментам зданий и сооружений в г.Москве", Методические указания "Проектирование свайных фундаментов" к выполнению дипломного проекта для студентов по специальности 2903.

По результатам исследований выпушены "Рекомендации по определению несущей способности забивных свай в водонасышенных пылевато-глинистых и песчаных грунтах". Методические разработки автора приняты Госстроем Республики Узбекистон для использования при разработке "Руководства по проектированию и устройству оснований и фундаментов в грунтовых условиях Республики Узбекистон".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: III Международной конференции "Проблемы свайного фундаментостроения" (Минск, 1992); II Всесоюзной конференции "Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР" (Одесса, 1990); III Всесоюзном координационном совещании-семинаре "Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов" (Владивосток, 1991); Всесоюзной научно-практической конференции "Лессовые просадочные грунты как основания зданий и сооружений" (Барнаул, 1990); 2 Мевдународной научно-технической конференции "Новые материалы для ремонтно-восстановительных работ и реставрации памятников архитектуры" (Самарканд, 1992); I регионально} конференции "Строительство на структурно-неустойчивых грунтах" (Самарканд, 1992)¡Республиканской научно-практической конференции "Проблемы строительства на просадочных грунтах Южного Казахстана" (Чимкент, 1991); семинаре кафедры МГрОиФ с участием ведущих специалистов МГСУ , НИИОСПа и ППИ (Москва, 1992); XLVII научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ МИСИ, посвященной 70-летию института (Москва, 1991); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СамГАСИ и работников НТО Республиканской и областной строкиндустрии (Самарканд, 1980, 1982, 1983, 1985, 1987, 1988).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 печатных работах, в т.ч. в монографии, рекомендациях и 20 статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и трех приложений. Вбдай объем

352 страницы машинописного текста (включая 24 таблицы), 48 рисунков (33 стр.), библиографии из 272 наименований (28 стр.), в том числе 33 на иностранных языках. В приложениях на 22 страницах (12 таблиц) приводятся табулированные автором расчетные параметры.

СОДЕРНАНИЕ даССЕРТАЩОННШ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований и необходимость разработки методов расчета несушей способности одиночных свай и свайных фундаментов на вероятностной основе.

Отмечено, что достижение оптимального проектного решения для свайных фундаментов, обеспечивающего достаточную их надежность при минимальных затратах материальных и трудовых ресурсов, является черезвычайно трудной задачей. В настоящее время эта концепция свайных фундаментов реализуется на практике строительства требованиями расчета их по предельным состояниям. Большой вклад в теорию и практику таких расчетов, а также в технологии, способствующие широкому внедрению забивных свайных фундаментов в строительство, внесли отечественные ученые: П.А.Аббасов, М.Б.Абелев, З.В.Бабичев, А.А.Бартоломей, Б.В.Бахолдин, В.Г.Березанцев, А.А.Бирюков, И.П.Бойко, А.С.Буслов, Ю.О.Вайчайтис, Е.В.Винокуров, С.С.Вялов, Н.М.Герсеванов, В.Н.Голубков, М.Н.Гольдштейн, Б.В.Гончаров, М.И.Горбунов-Посадов, А.А.Григорян, Б.И.Далматов, В.К.Дмоховский, Н.М.Дорошкевич, Н.В.Куков, О.К.Зарецкий, В.В.Знаменский, В.А.Ильичев, С.Н.Козаков, Н.В.Лалетин, Ф.К.Лапшин, А.А.Луга, Л.Г.Мариупольский, С.М.Мурзенко, Р.М.Нарбут, Г.Ф.Новожилов, А.А.Ободовский, Б.С.Одинг, А.В.Паталеев, Г.М.Петренко, 13.Н.Платонов,

A.И.Работников, О.В.Россихин, В.С.Саяин, Б.А.Сальников, К.С.Силин, Е.А.Сорочан, С.Н.Сотников, А.С.Строганов, З.Г.Тер-Мартиросян, О.Г.Трофименков, В.И.Федоров, А.Б.Фадеев, В.Г.Федоровский, И.В.Финаев, Х.Р.Хакимов, А.П.Хамов, Р.Е.Ханин, В.С.Христофоров, Н.А.Цытович,

B.Б.Шахирев, В.Б.Швец, Р.С.Шеляпин, И.В.Яропольский и др.

Из- зарубежных исследователей должны быть отмечены. А.Баракат, Х.Дерра, М.Казагранде, А.Кезди, Ж.Керизель, Х.Кишида, Г.Мейергоф, Х.Г.Пулос, Р.Пек, Я.К.Риз, Х.Б.Сид, К.Терцаги, И.Ченг и др.

Несмотря на известные достияения существующих методов оценки несущей способности одиночных свай и свайных фундаментов все еще имеется немало резервов их повышения, не раскрытых до настоящего времени из-за слабой изученности узловых проблем, в том числе проблемы

- а -

проектирования их. на заданный уровень надежности, которой и посвяшвне диссертация.

Глава I. Метода оценки несущей способности одиночных свай и кустов с позиции теории надежности и задачи по их совершенствованию

Метод расчета по предельным состояниям сыграл прогрессивную роль в развитиии вероятностных методов, поскольку позволил оценить раздельно случайный характер свойств материалов и нагрузки через системы коэффициентов надежности: перегрузки, однородности и условий работы.

Однако, эти коэффициенты надежности определеяются раздельно для каждого расчетного фактора независимо от изменчивости других, что приводит, в одних случаях, к завышению надежности сооружения, в других - к занижению. Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется использованию дифференцированных коэффициентов, устанавливаемых на основе интегрального критерия в качестве которого признанным является количественная характеристика надежности.

Н.С.Стрелецким была сформулирована статическая концепция надежности строительных конструкций. Теоретически более строгий подход к решению задач надежности с учетом фактора времени разработан В.В.Болотиным. Однако, в настоящее время вопросы надежности строительных конструкций И'оснований рассматриваются, как правило, без учета времени (начальная безотказность) с ипользрванием параметрической теории надежности. Вопросы же резервирования, ремонтопригодности, долговечности для практического использования разработаны пока еще недостаточно. Одной из причин этого является отсутствие систематических статистических сведений о необходимых параметрах. По этой причине в основу диссертационной работы была положена параметрическая теория надежности.

Оценка надежности свайных фундаментов возможна на основе применения аппарата теории вероятностей к детерминированным и апробованным методам расчета по предельным состояниям. Согласно, параметрической теории, за количественную меру надежности (уровень надежности) строительных конструкций и оснований принята верояность того, что они не достигнут рассматриваемого предельного состояния в принятых для расчета условиях. Принципиальные положения такого подхода для строительных конструкций были разработаны А.Р.Ржаницыньш.

Многие важные практические вопросы надежности строительных конструкций получили развитие в трудах Б.И.Беляева, Н.Н.Складнева, П.А.Визира, О.Д.Сухова, С.А.Тимашева, В.Д.Райзера, А.А.Авирома, А.Г.Ройтмана, Б.М.Колотилкина и др. Из зарубежных исследований следует отметить работы А.М.Фрейденталя, В.Вержбицкого, Р.Хевиленда, Э.Торроха, А.Аугусти, А.Баратта, Ф.Кашиати и др.

• Основные положения парметрической теории надежности применительно к основаниям фундаментов мелкого заложения были разработаны Н.Н.Ермолаевым и В.В.Михеевым. Существенное развитие данное направление получило в трудах В.И.Шейнина, 0.И.Игнатовой, А.В.Школа, П.Л.Климационок, И.В.Шитовой, Р.А.Муллера, В.Б.Швеца, в работе С.Х.Кеведо, выполненной под руководством С.Б.Ухова и др.

Вероятностные методы все шире применяются в практических расчетах фундаментных балок и плит на неоднородном основании с использованием случайных параметров. Этому способствовали труды

М..И.Горбунова-Посадова, А.П.Синицина, Д.Н.Соболева,

Б.П.Макарова, Б.Е.Кочеткова, С.Н.Клепикова, А.П.Пшеничкина и др.

Из-за сложности проблемы имеется лишь ограниченное число работ, посвященных вероятностному расчету свайных фундаментов, для которых характерно два подхода.

К первому направлению следует отнести работы Б.И.Далматова, Л.С.Лапидуса, Ф.К.Лапшина, Б.В.Бахолдина, И.З.Гольдфельда, Б.А.Фаянса, О.С.Миренбурга, Л.Н.Хрусталева, О.И.Игнатовой, В.Б.Коваля, А.К.Оперпггейна, Л.Е.Харитона, В.Б.Швеца и Дж.Кэй, посвяшенные методике статистической обработки результатов испытаний с целью установления оптимального их объема и проектной нагрузки на сваи.

Ко второму направлению относятся работы Л.Н.Хрусталева, Г.П.Пустовойт, О.И.Соловьева, А.Д.Слободяна, Г.Б.Кульчицкого, Б.М.Мазо, В.Б.Швеца, А.В.Школа и Д.А.Сидики, посвященные вопросу количестсвенной оценки надежности свайных фундаментов.

Анализируя имеющиеся предложения по вероятностному расчету свай и свайных фундаментов, отмечается, что большинство работ посвяшено отдельным частным вопросам, в ряде случаев в них имеются весьма условные допущения, а математический аппарат отличается большой сложностью, что затрудняет его практическое использование.

Кроме того, из рассмотрения в приведенных работах выпадают такие важные вопросы как достоверность входных параметров, от которых непосредственно зависит надежность свайных фундаментов: несущая способность одиночных свай и свайного фундамента с учетом взаимного их

влияния, особенно при неоднородном основании, изменчивость и хвракте] передачи нагрузок на фундаменты. Эти вопросы являются ключевыми с позиций вероятностного подхода и требуют специального изучения дл! разработки метода количественной оценки их надежности.

Создание единой модели, точно описывавшей напряженно-деформированное состояние одиночной сваи, особенно забивной, и тем более свайного фундамента с учетом параметров взаимодействия, вряд ли возможно. Имеющиеся в этой области предложения основываются на серьезных допущениях, приводят к сложным математическим выражениям или требуют численных расчетов конкретных ситуаций, что не позволяет рассматривать их как непосредственно применимые для массового проектирования.

По-видимому, для определения несушей способности одиночной сваи наиболее достоверным оказывается метод ее испытания пробной статической нагрузкой, т.к. именно такая схема испытания соответствует ее работе в составе фундамента. Однако и в этом случае назначение расчетной нагрузки определяется на основе ряда условий, нуждающихся в тщательном анализе.

Вторым из наиболее распространенных на практике способов определения несущей способности свай служит практический (табличный) метод. Однако многими исследователями установлено, что достоверность этого метода низкая, отклонения от экспериментальных данных доходят до 2 раз, как в сторону преувеличения, так и в сторону занижения несущей способности свай. Более детальное изучение такого положения позволяет отметить, что при определении значений сопротивления грунтов под острием й и по боковой поверхности свай I не были обеспечены соваместные условия их реализации, а при составлении табличных значений И и Г не были последовательно применены вероятностно-статистические методы. Этим, в частности, объясняется определение расчетной несущей способности свай с использованием постоянного эмпирического коэффициента запаса, равного 7к= 1,4 -н именуемого СНиП 2.02.03-85 "коэффициентом надежности".

Поскольку достоверность искомых значений й и Г определяется исходными предпосылками, этому вопросу было уделено особое внимание. Проанализированы методы разделения несушвй способности свай на сопротивление острию и.по боковой поверхности, предложенные А.А.Луга, Ван-Вил, Ф.К.Лапшиным, В.Н.Волковым и И.В.Финаевым. Эти методы либо предъявляют дополнительные требования к условиям испытаний, либо применимы лишь для отдельных 'видов грунтов и не позволяют проводить

качественную обработку результатов массовых стандартных испытаний в широком диапазоне изменения грунтовых условий и размеров сваи. Кроме того, значения И и Г определяются при предельной нагрузке на сваи, а механизм перехода к их расчетным значениям не рассматривался. С целью устранения отмеченных недостатков соискателем предпринята попытка разработать специальную методику.

В диссертации в качестве основных методов определения несушей способности одиночной сваи приняты практический метод и метод пробной статической нагрузки.

Исследованиями В.Н.Голубкова, И.В.Яропольского, Н.В.Лалетина, А.А.Луга, Б.И.Далматова, Н.М.Дорошкевич, А.А.Бартоломея, Б.В.Бахолди-на, В.В.Знаменского, А.В.Пилягина, Б.А.Сальникова, А.А.Долинского, А.П.Хамова, В.И.Наборшикова, Т.Б.Пермяковой, В.И.Кудинова, О.К.Югай, Х.Пулос, Х.Кишида, А.Баракат, автора диссертации и др. доказано, что при совместной работе свай в составе фундамента происходит их взаимное влияние. В результате несущая способность свай в фундаменте мояет уменьшиться или увеличиться по сравнению с одиночной сваей в зависимости от характера действующих нагрузок, грунтовых условий, расстояния между сваями, их числа, длины и типа ростверка.

Однако, большинство исследований, посвященных как несушей способности одиночных свай, так и учитывающих взаимовлияние при совместной их работе, проведено без учета статистической изменчивости параметров грунтовых оснований и внешних нагрузок путем специального подбора или создания более однородных грунтовых условий с целью выявления "в чистом виде" влияния тех или иных параметров на конечный результат. При этом не учитывается, что реальные грунты и внешние нагрузки обладают значительной изменчивостью, учет которой возможен только на основе вероятностно-статистического подхода.

Изложенное предопределило задачи исследований и методы их реализации.

Глава 2. Исходные данные. Методики определения несущей способности одиночной сваи и ее разделение на сопротивление грунта под острием и по Соковой поверхности

Со времени А.А.Луга, впервые выполнившего обобщение результатов 1200 испытаний свай статической нагрузкой для определения й. и Г., различными организациями в различных регионах были проведены многие тысячи подобных испытаний. Поскольку точность результатов

статистического анализа существенно зависит от представительное« выборки, диссертантом была предпринята попытка изучить накоплении? разрозненный материал этих испытаний и составить банк данных для последующего анализа.

При сборе материалов, с "целью обеспечения однородности наблюдений, были включены в обработку результаты испытаний забивньн свай квадратных, прямоугольных, круглых сплошного сечения и полых с закрытым нижним концом, с наружным диаметром (или стороной поперечного сечения) от 25 до 40 см, длиной от 3 до 20 м, проведенных в пылевато-глинистых и песчаных грунтах. Исключены из рассмотрения результать испытаний свай, проведенных в вечномерзлых, просадочных, засоленных, заторфованных, набухающих и других особых видах грунтов, а также свай, погруженных в лидерные скважины с использованием подмыва и опушенных с помощью вибропогружателей. При этом были отобраны те материалы, у которых величина нагрузки при испытании доведена до исчерпания несушей способности свай при их осадке не менее 16-20 мм, а также согласно ГОСТ были выдержаны сроки "отдыха" и расстояние в осях от испытываемой сваи до анкерной или до ближайшей опоры грузовой платформы составляло не менее 5 наибольших размеров поперечного сечения сваи.

В обшей сложности из фондовых и отчетных материалов, диссертационных и печатных работ были изучены более 30000 результатов испытаний натурных свай, из которых в соответствии с изложенными выше требованиями отобраны для предварительной обработки 15820, в т.ч. 27С тензометрических свай.

В качестве основного критерия при обработке результатов испытаний использовано понятие "несушей способности сваи", соответствующее такой нагрузке, при которой обеспечиваеся наиболее полная реализация сил трения грунта по боковой поверхности и сопротивления грунта под острием и осадка сваи полностью затухает во времени.

Исследования многих авторов, а также сопоставительный анализ результатов испытаний свай, проведенных в различных грунтовых условиях с разными размерами свай, показали, что на характер кривой 3.=Г(Г.), по которой устанавливаются критерии несущей способности', влияют величина ступени нагрузки ДГ^ время ее выдержки Д1, осадка сваи как от каждой ступени нагрузки так и от начала загружения Э..

Диссертантом были ^проанализированы различные комбинации указанных выше параметров. Оказалось, что наиболее чутко реагирует на условия статических испытаний сваи критерий, названный автором "коэффициентом статической деформации", определяемый для каждой ступени нагружения по

формуле:

к* - -^-¿v st Г ifil кН1 . (1)

8 At. 1 |_ мин KMJ

Анализ результатов испытаний, подтвераденный обработкой всей совокупности рассмотренных в диссертации испытаний свай разных типоразмеров в разных грунтовых условиях, позволил для определения несущей способности одиночной сваи установить следующие критерии величины Ks:

мм2

I группа - Ks= 60 -¡¿йй-кН, если при изменении Ks от 50 до 70 нагрузка на сваю меняется от 10 до 20 кН;

мм2

II группа - Ks= 50 -уйн-кН, если при том же изменении Ks от 50 до 70 нагрузка на сваю меняется в пределах до 10 ¡сН;

мм1

III группа - Ks= 70 -одщ-кН, если в тех же пределах изменения Ks от 50 до 70 нагрузка на сваю меняется более чем на 20 кН.

Частное значение несушей способности сваи, соответствующее критерию коэффициента статической деформации, обозначено буквой F . Тогда расчетная несущая способность сваи F определяется непосредственно, минуя предельное сопротивление из условия

5 р " —тГ~ (2)

'з

где - среднее арифметическое частных значений несущей способности

свай, равное ее нормативной несущей способности Рн;

- расчетная нагрузка на одиночную сваю;

7з - коэффициент надежности по грунту.

По изложенной методике была определена несущая способность 14700 свай из 15820 результатов их испытаний, а 1120 исключены из дальнейшего анвлиза из-за недостаточности в материалах испытаний параметров, от которых зависит коэффициент Ка. При этом, для различных типоразмеров свай в различных грунтовых условиях, их осадка составила не менее 16 и не более 26 мм. По существующим же методикам определения несушей способности осадка составляла от 3 до 30 мм и более.

Из-за большого числа факторов,, от которых зависит несущая

способность свай Р , не разделив ее на сопротивление грунта под острием Н® и по боковой поверхности Iе, невозможно анализировать и, тем более, обобщать результаты их массовых испытаний.

Для определения В® и Iя в диссертации рекомендуется использовать решение системы линейных уравнений, составленных по результатам параллельных испытаний однотипных свай. Непременными условиями при составлении уравнений является прорезание сваями одних и тех же инженерно-геологических элементов, выделенных по характеристикам грунтов. При этом толщина слоев вдоль сваи может меняться, тот или иной слой у отдельных свай может отсутствовать. Однако, глубина погружения в несущий слой, являющийся для всех свай единым, должна составить примерно одинаковую величину.

При прорезании сваями п слоев, составляется п + 1 уравнений, для чего требуется такое же число .результатов испытаний, отвечающих вышеуказанным требованиям. К примеру, когда сваи прорезают 3 слоя, требуется составить систему из 4 уравнений по результатам испытаний 4 свай, т.е.

и-ь;- Г* + и-Ь*- I® + и-ь£- I" + А-Н* = Тги '

и-И? Г* + и-Ь^ ГI + и-1^ ^ + А-Й» - К^ (3)

ц-^^Г® + и-Ь^ + и-Ь"1^ + А-В^ =

и-Ь^Г" + + и+ А-в; - ?? ,

где и, А - периметр и площадь поперечного сечения сваи;

1® ...X" - искомые величины сопротивления трех слоев грунта по боковой поверхности сваи;

Н® - искомые величины сопротивления 3-го несущего слоя грунта под острием сваи;

Ь* . ..Ь™- толшина трех слоев грунта у боковой поверхности I...IV сваи;

• • несущая способность 1...1У сваи, установленная согласно критерию Кв,

Система уравнений типа (3) позволяет получить средние

арифметические значения й* и Г* на соответствующих глубинах и из параллельно испытанных свай с учетом характеристик грунтов. Решение уравнений производилось на ЭВМ по методу. Г.Крамера с применением определителей. С целью уменьшения неизвестных была использована

методика поэтапного определения величин В® и 1®: вначале непосредственно по результатам испытаний тензометрических свай, затем по результатам параллельных испытаний 2 свай в однородных грунтах, затем 3 свай в двухслойных грунтовых условиях и т.д. Тем самым число определений й® и Iе постепенно увеличилось, расширяясь в диапазоне изменения как грунтовых условий, так и глубины погружения свай.

В результате разделения несушей способности 14700 свай, были получены 14560 значений Б® и 20015 значений I®, из которых 12970 значений й® и 16195 значений Г® относятся к водонасышенным грунтам. Для маловлажных и влажных грунтов не удалось установить какие-либо закономерности изменения из-за недостаточности опытных данных. Поэтому и учитывая, что в процессе эксплуатации сооружений их основания подвергаются периодическому изменению влажности, а обработка при 5р£0.8 обеспечивает наихудшие условия, были исключены из рассмотрения значения й® и Г® относящиеся к .маловлажным и влажным грунтам.

Исключены также из дальнейшего рассмотрения те значения й®. и Г®, у которых характерные параметры грунтов или глубина погружения свай либо оказались за пределами рассматриваемых в рамках диссертации, либо не удалось обеспечить представительность их выборки.

Оставшиеся значения й® и Г® были сгруппированы и подвергнуты дисперсионному анализу, согласно которому установлены наиболее значимые факторы: глубина погружения для Е?а, средняя глубина расположения слоя грунта для Г®, показатель текучести и коэффициент пористости пылевато-глинистых грунтов, крупность и плотность сложения песчаных грунтов для величин й® и I®.

По результатам массовых стандартных испытаний свай не удалось установить четкие закономерности изменения й® и 1В от изменения размеров поперечного сечения сваи, числа пластичности, степени влажности и прочностных показателей грунта.

Более детальный анализ полученных данных позволяет предположить,

что отсутствие формальной связи ыевду й®, Г® и указанными выше характеристиками еще не свидетельствует о том, что эти характеристики вообще не влияют на несущую способность сваи. По-видимому, это связано с качественными и количественными недостатками определения этих показателей при массовых стандартных испытаниях. Можно предположить, что их влияние в скрытом виде проявляется через показатель текучести и коэффициент пористости пылевато-глинистых грунтов, крупность и плотность сложения песчаных грунтов, с которыми установлена весьма

тесная связь.

Оставшаяся совокупность случайных величин R* и Is 6ыле сгруппирована следующим образом:

- для пылевато-глинистых грунтов по показателю текучести JL черес O.I единицы от О.О до 1.0 - для R®, от 0.0 до 1.2 для fs; пс коэффициенту пористости е через 0.1 единицы от 0.5 до 1.0 как для R®, так и для Iе;

- для песчаных грунтов по наименованию по крупности (пылеватые, мелкие, средней крупности) и по плотности сложения (средней плотности, плотные). •

Показатели R* и Is для всех 154 групп, выделенных пс характеристикам грунтов, распределены через 0.5 м: по глубине погружения свай he - от 3 до IS ы (для R*) и по средней глубине расположения слоя грунта hf - от I до 16 м.

Глава ш. Методика определения нормативных и расчетных

значений лиг для расчета несущей способности свай

Совокупность случайных величин R* и Г* в пределах каждого выделенного диапазона влияющих факторов по глубине проанализирована с целью выделения значений, резко отличавшихся от большинства значений статистического ряда, которые исключены из рассмотрения как "грубые ошибки".

Окончательное число определений для последующей обработки составило: II493 значений R*, из них: пылевато-глинистые грунты -I02I9 пгг. и песчаные - 1274 шт.; 14077 значений Г®, из них пылевато-глинистые грунты - 12890 шт. и песчаные 1187 шт. Таким образом, общая выборка данных В* и Г® на порядок превышала выборку, рассмотренную А.А.Луга.

Для исследования зависимости нормативных сопротивлений грунтов Ги и Вн от глубины h при различных значениях JL и е для пылевато-глинистых грунтов, при различной крупности и 'плотности сложения для песчаных грунтов, использовался аппарат корреляционно-регрессионного анализа. Вычисления проводились на ЭВМ по программе, позволяющей методом наименьших квадратов установить связь между искомой функцией у (означающей нормативные значения i" или RH) и аргументом х (означавшим глубины hf или hB), Которая предполагалась в нелинейной форме: логарифмической, степенной, парабол второй и третьей степени.

Каадое из 4-х уравнений связи решалось для каадой группы из 154, фиксированных по характеристикам грунтов. Общая сумма решенных уравнений составила 4 х 154 = 616. Для каадой группы по уравнениям связи определялись: коэффициент корреляции г, дисперсионное отношение Фишера F, среднее квадратическое отклонение опытных точек от полученного уравнения связи ау и средний для каадой зависимости коэффициент вариации V .

Из 4-х уравнений по максимальному значению г, выбирали основное для вычисления йн к fH, которыми оказались парабола второй (4) или парабола третьей (5) степени

у = Ъ0 + btx + b,xe , (4)

у = Ь0 + Ь4х + Ьях* + bsx® . (5)

Коэффициент корреляции основного уравнения связи составлял от 0.61 до 0.93, что свидетельствует о наличии "заметной" (г=0.5 ... 0.7), а в большинстве случаев "высокой" (г > 0.7) связей меаду f", RH и hf, соответственно.

Дисперсионное отношение Фишера во всех случаях имело значение намного выше,.от 6 до 10, соответствующих табличных значений, что также свидетельствует о статистической значимости связи и подтверадает результаты, полученные дисперсионным анализом.

Установлено, что с ухудшением свойств грунтов имеется тенденция к уменьшению корреляционной связи и увеличению коэффициента вариации, т.е. чем "слабее" грунт, тем больше изменчивость RH и ÎH. Это, по-видимому, объясняется неучтенными параметрами, в большей степени прочностными показателями, влияние которых становится более ощутимым по мере ухудшения свбйств отдельных видов грунтов. В свою очередь, если характеристики изменчивости величин RH и f™ зависят от свойств грунтов, от представительности выборки и других факторов, то очевидно, что коэффициент надежности по грунту не может быть величиной постоянной.

По основным уравнениям связи подсчитаны и составлены табличные значения RH и f" для каадой группы, выделенной по фиксированным характеристикам грунтов и глубины через каждый I м.

Полученные значения для пыл^вато-глинистых грунтов позволили проанализировать изменения RH и f" при изменении Ju и е. Характерно для всех зависимостей и для всех глубин то, что увеличение приводит к резкому уменьшению как значений Йн, так и f", причем влияние

коэффициента пористости более заметно сказывается при малых значениях показателя текучести. Качественно зависимости, полученные другими авторами, соответствуют данным наших исследований. Количественные же значения Е?н и Iй в определенных значениях и е, значительно отличаются. Причину такого расхождения следует искать как в общих, так и частных подходах, принятых в методиках определений величин йн и Гн, а также в особенностях учета тех или других влияющих на них факторов.

Полученные значения сопротивлений песчаных грунтов позволили проанализировать влияние их крупности, плотности сложения и глубины на величины йн и Гн.

Для песков средней плотности установлено, что чем крупней песок, тем больше охватывает глубину, до которой происходит интенсивное возрастание йн и Гн. При этом явно выраженную глубину, при которой снижается интенсивность возрастания Вн и Гн трудно заметить. Для плотных же песков такая глубина более заметна, что объясняется уплотнением песков до некоторой критической плотности при погружении свай.

Сравнительные данные показали, что по результатам обработки автора значения йн и 1Н песчаных грунтов в 1.1 ... 1.6 раз больше, чем по существующим данным. Не подтверадается также постоянство соотношения величин Нн и Гн, принятое СНиПом для песков средней плотности и плотных независимо от их крупности и глубины расположения!

Расчетные значения ,й и I ' согласно правилам статистики определялись односторонними доверительными интервалами при

соответствующих доверительных вероятностях сц. В качестве одностороннего доверительного интервала А1 принимался толерантный предел, используемый для прогноза фактора функции по индивидуальному новому наблюдению.

Однако, расчетные значения, вычисленные с постоянными по глубине доверительными пределами как Е.» й*| - Д^, так и Г= I" - не

учитывают возрастание абсолютных значений разброса опытных точек с глубиной, которое наблюдалось при всех рассмотренных нами, условиях: для малых глубин дает заниженные расчетные значения В и £, для больших глубин - завышенные. Поэтому расчетные значения й и I определялись с применением соответствующих коэффициентов надежности по грунту:

где и - нормативные R™ и fH на среднеарифметической глубине

Ь " h, R I

h„ и hf;

Aj; и Af; - односторонний толерантный предел, вычисленный н&

ж t — -

глубине h^ и hf.

На основании сравнительного анализа уровня надежности несушей способности свай значения коэффициентов надежности грунтов под нижним концом 7Я и на боковой поверхности 7f были подсчитаны и табулированы для каждого конкретного вида и состояния исследуемых грунтов при доверительной вероятности а = 0.98 - для I класса, а = 0.95 - для II класса и а = 0.90 для III класса степени ответственности проектируемых зданий и сооружений.

Значения 7„ и 7f> как и Другие статистические характеристики изменчивости £?ни fH отмеченные выше, зависят от свойств грунтов. Чем слабее грунт, тем больше коэффициент надежности, учитывающий неоднородность грунтов'.

Нормативная несущая способность свай с использованием табличных значений Ини fH, приведенных в диссертации, при принятых обозначениях СНиП, определяется по формуле

fh= rh-а + (т)

Тогда расчетная несущая способность свай с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений определяется по формуле

гч .И

f = +■ u) — ¿~h. . (а)

i=l 'fi

Отметим, что отношение Р и Р, также как и в уравнении (2)> дает ^ощий (интегральный) коэффициент надежности по грунту 7э .для предложенной модификации табличного метода.

С целью, сравнения достоверности предложенного метода с рекомендациями СНиП 2.02.03-85 были определены расчетные несущие способности для результатов стандартных испытаний свай пробной

- го -

статической нагрузкой, проведенных в разноообразных грунтовых условиях с оазныыи типоразмерами свай, которые специально не были включены в статистическую обработку. Установлено, что предложенная методика расчета по сравнению с методикой СНиПа в случае преобладания в основании пылевато-глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции при больших значениях коэффициентов пористости позволяет предотвратить возможные потери несущей способности свай. Во всех остальных грунтовых условиях, рассматриваемых в рамках диссертации, предложенная методика дает возможность повысить расчетную нагрузку на сваи до 1.5 и более раз. При этом осадки свай остаются все время в области линейной зависимости 8 - Г(Р).

Глава IV« Оценка уровня надежности несущей способности одиночное сваи

Проектирование на заданный уровень надежности осуществляется исходя из условий

Н а Нв, (9)

где Н - расчетный уровень надежности;

Н" - нормативный (заданный) уровень надежности, обеспечивающий бесперебойную нормальную эксплуатацию системы основание -сооружение с заданной степенью риска.

В настоящее время для реализации проектирования на заданный уровень надежности используется два подхода. Первый заключается в прямой оценке уровня надежности и перепроектировании в случае необходимости на заданный уровень. Второй подход состоит в предварительном нормировании коэффициентов надежности и регулировании с их помощью уровня надежности при детерминированном расчете. В диссертации используются оба подхода.

Под уровнем надежности при проектировании, согласно действующим СНиП, понимается вероятность выполнения соответствующего предельного неравенства метода предельных состояний. Предельное неравенство, в т.ч. и для оснований свайных фундаментов, записывается в виде

Я, £ Р или у = Р - Ыа £ 0 , (10)

где Р - внутренний фактор, характеризующий несущую способность свай;

И, - внешний фактор, характеризующий нагрузки на основание; у - совокупный фактор, являющийся функцией Г г

Для оценки надежности необходимо установить закон распределения фактора у как функции Г и В диссертации обосновывается возможность принятия нормального закона распределения как для несушей способности свай, так и для внешней нагрузки.

В теории вероятностей доказывается, что если ¥ и Ы<1 имеют нормальные законы распределения, то у, как их разность, имеет также нормальный закон распределения. Тогда вероятность выполнения неравенства (10), т.е. количественное значение уровня надежности (начальная безотказность) Н, определяется по формуле

" " * '■"/оИ ' (П)

где Ф - интеграл вероятности Гаусса.

Математическое ожидание совокупного фактора у и его дисперсия , определятся по формулам:

У - Р - На ; (12)

V • <13>

где ? и ^ -. математические ожидания соответствующих параметров, численно равные их нормативным значениям; Бг и Бн<1 - дисперсии соответствующих параметров. Распределение внешней нагрузки и ее изменчивость в диссертации не рассматриваются, а принимаются в обобщенном виде по данным имеющихся исследований.

Расчетную несущую способность сваи, согласно уравнения (8), при 7Я = 7Л= I представим в виде-

Р = Н-А + ч 5 *А. (14)

Если не учитывать изменчивость толщин слоев (однородное основание), то дисперсия Р, как линейная функция случайных величин Н и Г, выразится в виде

D„ = A'-D. + 1-Х л; D(l . (15)

1=1

где Dr и Dfi - дисперсии Вя f. , определяемые либо статистической обработкой опытных данных на конкретной плошадке, либо по ^стандартным отклонениям ав и ап, табличные значения которых с учетом вида и состояния грунтов приведены в диссертации.

При учете изменчивости толшин слоев h. (слоистое основание) функция (14) становится нелинейной и для определения дисперсии Df использован метод линеаризации:

V АЧ + U2 I + ^ At + 2U1 Уг -К, h

t=l is 1 vTj * v j *

(16)

где и К^ ь - дисперсия и корреляционный момент толшин слоев,

устанавливаемые для конкретной плошадки изысканий и конкретной длины забивки свай. Добавим, что в случае трехслойного основания определяются три корреляционных момента, так, например, КЬ1Ьа, КЬ1Ьа и КЬ2Ьэ и т.д.

Для решения вопроса об обеспечении заданного уровня надежности (Нн) путем варьирования внутренним фактором (Р), целесообразно использовать связь между уровнем надежности Н и общим коэффициентом запаса т . т.е.

•О

н = . (и).

/у*-т* + V

' *г 'о *ы<1

где и - коэффициенты вариации несущей способности сваи и внешней нагрузки. Отметим, что связь между 7о и Н при расчете строительных конструкций была предложена А.Р.Ржаницыным, а оснований фундаментов мелкого заложения - Н.Н.Ермолаевым и В.В.Ыихеевым.

Общий коэффициент запаса выражается через коэффициенты надежности по грунту 7з и по нагрузке 7Ы<1

То = ~5~ = , (18)

С N -

а а

где Ы" и N - нормативная и расчетная внешняя нагрузка.

Величина 7д определяется либо по табличным значениям И", Гн и 7В, 7Г, либо статистической обработкой результатов испытаний, используя в обоих случаях отношение

7„---—- (19)

Р

Для определения с достаточной точностью значений 7д и Уг, от которых зависит Р, 70 и Н, требуется большое число натурных испытаний свай. Нет гарантии в том, что единичными испытаниями сваи на конкретной площадке изысканий можно выявить минимальное значение несушей способности, как это предполагает СНиП. Вероятность отказа в этом случае будет тем больше, чем меньше число свай в фундаменте.

Эта задача может быть решена, если использовать при статистической обработке результаты комплексных испытаний. Так, например, на каждой площадке изысканий обычно проводится 2-3 натурных испытания свай статической нагрузкой и достаточно большое количество статических зондировочных испытаний, по которым оказалось возможным оценить изменчивость грунтовых условий.

Статистическая обработка имеющихся результатов параллельных испытаний, проведенных на 7 площадках, позволила установить, что хотя несупвя способность свай по результатам натурных испытаний Ра и зондирования Ри заметно отличается, их коэффициенты выриации V и У^, чем больше число испытаний, тем в большей степени совпадают. При этом во всех рассмотренных случаях значения У^ хоть незначительно, но больше, чем V что обеспечивает дополнительную надежность испытаний зондированием.

Таким образом, для каздбй точки статического 'зондирования грунтов определяется частное значение предельных сопротивлений свай р Получаем выборку из п значений Рц1, для которой определяется среднее

значение Ри, стандартное отклонение о^ и коэффициент вариации Ури:

Тогда выражение для коэффициента надежности по грунту можно представить в виде

гг

V ' (20)

У п а >Ц

где - коэффициент, принимаемый в зависимости от заданной односторонней доверительной вероятности а для числа степеней свободы п - I.

Величину а при определении 7д рекомендуется принимать, как и для табличных значений 7Я и 7Г, с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений.

Если на конкретной площадке выполнены 2 или 3 испытания натурной сваи статической нагрузкой, то для них необходимо найти среднее

значение Ев и определить расчетную несущую способность сваи по формуле (2), общий коэффициент запаса по формуле (18), а уровень надежности по формуле (17).

С целью определения возможного диапазона изменения уровня надежности по предложенной модификации табличного метода, а также для установления нормативной надежности несущей способности свай были проанализированы результаты статических испытаний 52 натурных свай, охватывающие широкий диапазон изменения грунтовых условий и типоразмеров сваи. Установлено, что оптимальные значения уровня надежности соответствуют значениям общего коэффициента запаса 70 = 1.9 ... 2.3. При 70 < 1.9 значение Н снижается более интенсивно, а при 7о > 2.3 незначительное повышение Н сопровождается значительным увеличением 70, т.е. приводит к существенно, менее экономичному решению. Исходя из этого, в качестве нормативного уровня надежности рекомендуется принимать: Нн = 0.995 - для I класса; Ни = 0.990 - для II класса и Н" = 0.985 - для III класса степени ответственности зданий и сооружений.

Сравнительные расчеты, проведенные для 25 вариантов грунтовых условий при длине сваи от 4 до 16 м сечением 30x30 см, позволили скорректировать отдельные значения 7К и 7Г таким образом, чтобы предложенный табличный метод в наиболее неблагоприятных условиях (при Ура= 0.20, Ум<= 0.1 и стандартном отклонении толщин слоев сть= 1.0 м) обеспечил нормативный уровень надежности несушей способности свай.

Глава V. Несущая способность свайных фундаментов и их проектирование при центральной и внеценреннсй нагрузках на вероятностной оснсее

Статистической обработкой результатов испытаний ограниченного числа свайных фундаментов невозможно установить параметры случайной изменчивости их несушей способности. Поэтому, при оценке расчетной несушей способности свайных фундаментов и их уровней надежности в качестве входных параметров используются несущая способность одиночной

сваи и ее характеристики изменчивости, полученные в главах 3 и 4. При этом требование (Э) в качестве основного критерия остается и при проектировании свайных фундаментов независимо от параметров взаимовлияния и характера действующих нагрузок. А установленные нормативные уровни надежности одиночной сваи Нн остаются без изменения и в случае свайных фундаментов.

Благодаря распределительной способности ростверка и надземных конструкций с возрастанием числа свай в фундаменте, резкая потеря их несущей способности, как это наблюдается у одиночной сваи, не происходит, а предельная осадка достигается постепенно. Поэтому число свай для свайных фундаментов, кроме как параметр взаимовлияния, должно явиться предметом специального рассмотрения с вероятностной точки зрения.

Коэффициенты надежности по грунту 7ni (означающий 7пИ или 7 , или 7ng) с учетом числа свай п в фундаменте (без учета взаимовлияния) зпределяются по формуле

7ы--------Ii------(21)

Tt t1 " Уйп] + /Т7п

де 7. - соответственно 7В, или 7f, или для- одиночной - сваи,

определяемые с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений, вида и состояния грунтов. Для удобства практического пользования в диссертации приведены таблицы значений 7 . в зависимости от величины 7. и

■т. Ч

числа свай в фундаменте п.

Нормативная средняя несущая способность свай в составе фундамента и центральной нагрузке с учетом их взаимовлияния определяется как

F" = (1 +• В 1RHA + А uyiH-h. (22)

ср л ср' ср ^¿t^ 11. v '

э А, и, RH, Г™ и tit - те же обозначения, что и в формуле (7);

Вср и Аср - соответственно, средние коэффициенты Влияния, учитывающие изменение сопротивления острия и боковой поверхности от взаимодействия свай в составе фундамента, принимаемые по таблице, составленной Н.М.Дорошкевич и Б.А.Сальниковым с учетом расстояния между сваями, их числа и

относительной глубины погружения.

Тогда расчетную среднюю несущую способность сваи в составе фундамента при центральной нагрузке с учетом степени ответственности проектируемых зданий можно определить как

н " Гн

= (1 + В) А + А и У —— 11. ср 4 ср' ор V (23;

■к» 1=» <П»

С целью оценки уровня надежности с использованием дисперсии несущей способности свай в фундаменте Рор предельное неравенство (10) представим в виде

< Рор или у = ЕСР - -±- > ! (24)

При нормальном законе распределения внешнего (1^) и внутреннего

№„„> факторов, следовательно и совокупного фактора уп как их

разности, вероятность выполнения неравенства (24) записывается аналогично (II), т.е.

г У

н = (25)

У

Математическое ожидание совокупного фактора уп и его дисперсия

Буп определяются как: - -

Уп - рср - ~ : (26)

с -

уп гср ч

где ?ср и ^ - матештические ожидания соответствующих параметров, численно равные их нормативным значениям; ^р и Бм<| - дисперсии, соответственно, Рср и Дисперсия средней несущей способности сваи в фундаменте, исход] из уравнения (22), с учетом изменчивости толщин слоев определяется по формуле

С__= А2(1 + в „ +■ А2 и1 Ун1 Б ,. + А* и1 У 1*0.. +

гср 4 Ср ' пи ср .и У- пГ1 ср .Ц \ Кн.

+ ^Р^Л'Л^ , (28)

где Кь>) - те же значения, что и в формуле (28);

^ 1

и " Дисперсии сопротивлений й и Г., определяемые с учетом числа свай в фундаменте:

Б = Б /п и Б ,. = д,./п

ПИ г ПГ1 /к

здесь и - те же значения, что и в формуле (15).

Для оценки уровня надежности свайных фундаментов через обший коэффициент запаса уравнение (17) перепишем в виде

я»

ф[—----——-1 (29)

I -Л/2 .V д. V2 J

/у* \ V'

гп 'ог. ыа

Общий коэффициент запаса с учетом взаимовлияния свай в фундаменте определится по формуле

То„ = "ГГ (3°)

Коэффициент вариации несущей способности свайного фундамента с учетом числа свай представляется в виде.

V, = V,/™ (31)

Гп Г П

где Ур - коэффициент вариации несущей способности одиночной сваи'.

Несущая способность свайных фундаментов при внецентренной нагрузке с учетом взаимовлияния свай при принятых обозначениях СНиП определятся, исходя из условия

N. к-Му

ц=_*_± (32)

п IУ1 Р

где к - эмпирический коэффициент, учитывающий снижение момента, передаваемого на сваи через вертикальные составляющие силы, по сравнению с внешним моментом в результате жесткой заделки свай в ростверк и действие реактивных сил, возникающих в грунте, принимаемый по таблице в зависимости от

- га -

относительного зксценриситета.

Нормативная несущая способность крайней (угловой) сваи в фундаменте при внецентренной нагрузке с учетом взаимовлияния определяется по формуле

С = (1 + ВкрЖн-А + А^-^А , (33)

где йн, А, и, и - те же обозначения, что и в формуле (7);

Вкр и А^р - соответственно, коэффициенты влияния для крайней сваи, учитывающие изменение сопротивления острия и боковой поверхности от взаимодействия свай в составе фундамента, принимаемые по таблице, составленной Н.М.Дорошкевич и Б.А.Сальниковым с учетом расстояния между сваями, их числа и относительной глубины погружения.

Расчетная несущая способность крайней (угловой) сваи в фундаменте при. внецентренной нагрузке с учетом степени ответственности проектируемых зданий и сооружений определяется по формуле

•п»

где 7пЯ и - ге же значения, что и в формуле (21).

Предельное неравенство для свайного фундамента, с целью

определения уп и К при внецентренной нагрузке согласно формулы (32) представляется в виде

к-М-у

— * . (35)

» К "СР

Тогда математическое ожидание совокупного фактора определяется по формуле

у = Ё - —---, (36)

п кр а

где Ек , и М - математические ожидания соответствующих параметров, численно, равные их нормативным значениям. Дисперсия совокупного фактора, согласно уравнению (36), составит

- гэ -

В =

уп

+ + (уу>-Я • (37)

где Бг|ср, дыЛ к Ии - соответственно, дисперсии несущей способности крайней (наиболее нагруженной) сваи, внешней вертикальной и моментной нагрузки.

Дисперсия несушей способности крайних свай, согласно уравнению (33), определяется по формуле

= ^ + + ^р^^п + +

>■<4 Л J

где опя, Бы, К^- те же значения, что и в формуле (28).

I ^

Уровень надежности несушей способности свайных фундаментов при внецентренной нагрузке, также как и при центральной нагрузке, рассчитывается по формуле (25). При этом достаточно располагать той же экспериментальной информацией, которая потребовалась бы для расчета одиночной сваи на центральную нагрузку. Заключительной проверке подлежит условие (Э), при его невыполнении увеличиваются либо размеры свай, либо расстояние между ниш, либо их число.

С целью проверки основных положений, разработанных в диссертации по расчету и проектированию свайных фундаментов, были произведены сравнительные расчеты для независимых 8 натурных испытаний свайных фундаментов при центральной и 4 при внеценгренных нагрузках, проведенных под руководством А.А.Бартоломея на плошадках с разнообразными грунтовыми Условиями в г.Пермь. Количество свай в фундаменте достигало 10, сечение свай - 25x25 и 30x30 см, длина свай доходила до 12 м.

Сопоставительные расчеты показали, что в зависимости от геологических условий площадки, типоразмеров -свай, расстояния мевду сваями в фундаменте и степени ответственности здания или сооружения несущая способность фундаментов, определенная в соответствии с предложенными в диссертации рекомендациями, в случае центральных нагрузок могвт быть увеличена по сравнению с рекомендациями СНиП 2.02.03-85 в 1.3 ... 1.9, а в случае внецентренных нагрузок даже в 2.0 ... 2.5 раза. И только в пылевато-глинистых грунтах твердой и

полутвердой консистенции получено снижение несушей способности фундаментов на 5 - 10 %. При атом осадки свайных фундаментов остаются в пределах линейной зависимости и не превышают предельные величины для проектируемых зданий и сооружений.

Таким образом установлено, что разработанный вероятностный подход позволяет наиболее полно и дифференцированно использовать несущую способность свайных фундаментов в тех грунтовых условиях, где наиболее часто они применяются. Предложенный метод дает возможность увеличить передаваемые нагрузки на эти фундаменты до 1,5-2 и более раз по сравнению со СНиПом, а в отдельных случаях грунтовых условий предотвратить возможные потери их несушей способности.

ВЫВОДЫ

1. Расчет свайных фундаментов по несущей способности и их проектирование с учетом случайной изменчивости характеристик природных грунтов и внешних нагрузок должен выполняться на основе вероятностного подхода.

2. Включенные в окончательную статистическую обработку 11,5 тысяч результатов испытаний натурных свай пробной статической нагрузкой позволили обеспечить представительность выборки и достоверность расчетных параметров, а такге характеристик изменчивости несушей способности и уровня надежности свайных фундаментов.

3. На основе вероятностного подхода усовершенствован метод расчета несушей способности одиночных свай при центральной нагрузке, а также свайных фундаментов при центральной и внецентренной нагрузках в пылевато-глинистых и песчаных грунтах. При этом решены следующие основные задачи:

а) разработана методика, позволяющая оценить непосредственно несущую способность свай по результатам стандартных испытаний пробной статической нагрузкой, минуя предельное ее сопротивление;

б) разработана методика разделения несущей способности свай на сопротивление под острием и по боковой поверхности в соответствии с результатами параллельных испытаний пробной статической нагрузкой;

в) разработана методика веро^тн' ;тно-статистической обработки результатов испытаний свай пробной статиче—.оГ .груи"" позволяющая установить нормативные и расчетные значения сопротивления грунтов под ее острием и по боковой поверхности;

г) составлены таблицы нормативных сопротивлений пылевато-глинистых и песчаных грунтов под острием и по боковой

поверхности свай, а также статистических характеристик их изменчивости, являющихся входными параметрами при расчете несущей способности и уровня надежности свайных фундаментов;

д) разработана методика расчета несущей способности одиночных свай, учитывающая степень ответственности проектируемых зданий и сооружений, которая использует в качестве входных параметров как статистически обоснованные табличные значения сопротивления грунтов и их характеристики изменчивости, так и результаты комплексных испытаний, большую часть в которых составляют данные статического зондирования грунтов;

е) разработана методика расчета несущей способности свайных фундаментов при центральной и внецентренной нагрузках с учетом числа свай, их взаимовлияния и степени ответственности проектируемых зданий и сооружений, использующая в качестве входных параметров только те, которые достаточны для оценки несущей способности одиночных свай при центральной нагрузке.

4. Интегральным критерием оптимального проектирования свайных фундаментов, позволяющим варьировать внутренним фактором (несущей способностью) и внешним (действующей нагрузкой), а также их параметрами изменчивости, является уровень надежности. Заложены основы перехода проектирования свайных фундаментов на заданный уровень надежности, для чего решены следующие основные задачи:

а) разработана методика определения расчетных значений уровня надежности несущей способности одиночных свай, учитывающая случайную изменчивость свойств грунтов и толщин слоев, основанная как на статистически обоснованных значениях расчетных параметров, так и на результатах комплексных испытаний, применяемых в изыскательской практике;

б) установлены нормативные значения уровня надежности несущей способности свайных фундаментов: Нн= 0,995 - для I класса,Нн= 0,990 -для II класса, Нн= 0,985 - для III класса степени ответственности проектируемых зданий и сооружений;

в) разработана методика' расчета уровня надежности несущей способности свайных фундаментов при центральных и внецейтренных нагрузках, учитывающая число свай и их взаимовлияние, возникаюдее в результате совместной работы, изменчивость толщин слоев и свойств грунтов, которая использует в качестве входных параметров только ту экспериментальную информацию, которая необходима для оценки уровня надежности несущей способности одиночных свай.

- за -

5. Сравнительные расчеты, проведенные для оценки результатов испытаний одиночных свай и для имеющихся результатов испытаний свайных фундаментов на центральные и внецентренные нагрузки в различных грунтовых условиях подтвердили достоверность и достаточную для практических целей точность предложенных в диссертации методов расчета.

6. Разработанные методы расчетов на вероятностной основе дают возможность более рационально использовать несущую способность свайных фундаментов. В пылевато-глинистых грунтах твердой и полутвердой консистенции при больших значениях коэффициента пористости предложенные методы расчета позволяют предотвратить возможные потери несущей способности свайных фундаментов. Во всех остальных грунтовых условиях (рассматриваемых в рамках диссертации) предложенные методы расчета дают возможность до 1,5...2 раз, а в ряде случаев и более, увеличить передаваемые нагрузки на фундаменты по сравнению с методикой СНиПа в зависимости от грунтовых условий, числа свай, степени ответственности зданий или -сооружений и характера действующих нагрузок.

7. Методы расчета несушвй способности свайных фундаментов, разработанные в диссертации, нашли отражение в рекомендациях, в методических указаниях и включены во временные технические указания, принятые Госстроем Республики Узбекистон для включения в "Руководство по проектированию и устройству оснований и фундаментов в грунтовых условиях Республики Узбекистон".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах.

В отдельных изданиях:

1. Рекомендации по определению несущей способности забивных свай в водонасышэнных пылевато-глинистых и песчаных грунтах.- М.: МИСИ, 1992. - 22 с.

2. Несущая способность свайных фундаментов при центральных и внцентренных нагрузках.- Ташкент: "Узбекистан", 1981. - 152.с.

В публикациях:

3. Использование комплексных полевых испытаний для оценки надежности забивных свай // Узбекский журнал "Проблемы механики".-1992.- № 5-6. - С.54-57.

4. Несущая способность забивных свай в песчаных грунтах по характеристикам сопротивлений и их изменчивости // Основания, фундаменты и механика грунтов,- 1992.- К5.- С.14-17.

5. Определение несушей способности забивных свай на основании уточнения расчетных сопротивлений пылевато-глинистых грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов.- 1992.- № 3.- С.14-17.

6. Оценка уровня надежности забивной сваи по несущей способности // Проблемы свайного фундаментостроения: Труды III Международной конференции. Часть I.- Пермь, 1992.- С.168-173.

7. Вероятностная несущая способность свайных фундаментов при центральной нагрузке с учетом числа забивных свай // Проблемы свайного фундаментостроения: Труды III Мевдународной конференции. Часть I.-Пермь, 1992.- С.173-176.

8. Несущая способность и надежность оснований свайных фундаментов // Новые материалы для ремонтно-восстановительных работ и реставрации памятников архитектуры: Тезисы докладов 2-й Международной научно-технической конференции.- Самарканд, 1992.- С.52-53.

9. Вероятностные задачи несущей способности и надежности свайных фундаментов // Свайные фундаменты: Сб. научн. тр. - М.: Стройиздат, 1991.- С.62-67.

10. Результаты обработки испытаний забивных свай статической нагрузкой в глинистых грунтах // Проблемы строительства на просадочных грунтах Южного Казахстана: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции.- Чимкент, 1991.- С.75-80.

11. Инженерный метод оценки уровня надежности несущей способности свай // Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР: Труды II Всесоюзной конференции.- Пермь, 1990.- C.III-II3.

12. Вопросы надежности свайных фундаментов // Нелинейные методы расчета оснований и фундаментов: Межвузовский сборник.- Яошкар-Ола: МарПИ, 1990.- С.38-240.

13. Инженерная оценка уровня надежности несущей способности свай по результатам статических испытаний в просадочных грунтах // Лессовые просадочные грунты как основания зданий и сооружений:' Тезисы к Всесоюзной научно-практич. конф.- Кн.2 - Барнаул, 1990.- С.218-221.

14. Вопросы надежности оснований и фундаментов, включая свайные //Строительству высокий научный и технико-экономический уровень: Тезисы докладов областной научн. техн. конф. - Самарканд,.' 1990.-C.I05.

15. Надежность методов оценки несущей способности свайных фундаментов //Ускорение и интенсификация научно-технического прогресса в строительстве в условиях Самаркандской области: Тезисы докладов областного семинара-совещания.- Самарканд, 1988.- С.66

16. Об эффективности испытаний свайных фундаментов //Ускорение и интенсификация научно-технического прогресса в строительстве в условиях Самаркандской области: Тезисы докладов областного семннара-совеща-ния,—Самарканд, 1988.—С. Г00 (соавтор В. В. Цой).

17. О несущей способности ростверка свайных фундаментов //Ускорение научно-технического прогресса в капитальном строительстве: Тезисы докладов научн. практ. конф.— Самарканд, 1985.— С. 145—146.

18. О работе свайных фундаментов при внецентренной нагрузке //Пути повышения эффективности строительства в свете решения XXVI съезда КПСС: Тезисы областной научн. практич. конф.—Самарканд, 1982.— С. 65—66 (соавторы Ф. Асатулаев, О. Парпиев).

19. Особенности определения несущей способности кустов свай в глинистых грунтах на внецентренную нагрузку //Известия вузов., Геология и разведка.— 1978,— № 4,— С. 178—180.

20. Экспериментальные исследования несущей способности кустов сван на центральную и внецентренную нагрузку,— М., 1.977.— 16 с.— Деп. в ВИНИТИ 28 окт. 1977.—ЛЬ 4058-77.

21. Исследование взаимодейстзия свай в кустах при действии внецеит-ренных нагрузок и влияние его на несущую способность.— М., 1977.— 22 е.—Деп. в ВИНИТИ 18 oía. 1977.— Лв 4053-77.

22. Экспериментальные исследования кустов сван при действии центральных и внецентренных нагрузок в глинистых грунтах,—М., 1977.-17 с.— Деп. в ВИНИТИ 4 окт. 1077,—№ 3819-77 (соавторы Н. М. Дорошкевич. А. И. Мороз, Е. С. Паненков, А. В. Яблочков).