автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Расчет свайных ленточных фундаментов на карстоопасных основаниях с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала

На правах рукописи

Магзумов Раил Нанлович

РАСЧЕТ СВАЙНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА КАРСТООПАСНЫХ ОСНОВАНИЯХ С УЧЕТОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОБРУШЕНИИ ГРУНТА НА ГРАНИЦАХ ПРОВАЛА

Специальность 05.23.02 - Основания н фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014 005551946

2 8 АВГ 2014

005551946

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Готман Альфред Леонидович

Шапиро Давид Моисеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Строительная механика»

Толмачёв Владимир Викторович

кандидат технических наук, доцент, ОАО «Противокарстовая и береговая защита», главный научный сотрудник ОАО «Противокарстовая и береговая защита»

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Защита состоится ¿4 2014 года в {гюр на заседании

диссертационного совета Д 212.138.08, созданного на базе ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.mgsu.ru ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет".

Автореферат разослан 2.0 2014 г.

Ученый секретарь __ Ч _Знаменский Владимир

диссертационного совета ^ Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Потребность и желание возводить здания на географически и экономически выгодных территориях часто приводит к освоению участков с неблагоприятными геологическими условиями и процессами, к которым относится и карст.

На закарстованных территориях достаточно широко применяются кар-стозащитные свайные фундаменты, в том числе и ленточные. Основным параметром при расчете таких фундаментов является размер карстового провала в плане. Деформации основания учитываются исключением из расчета свай, попадающих в зону образования провала. Однако карстовый провал имеет некоторую глубину, и сваи, расположенные на границе карстового провала, воспринимают горизонтальное давление при обрушении грунта на бортах провала. В действующих нормах отсутствуют требования о необходимости расчетов свай на горизонтальные нагрузки от горизонтальных перемещений грунта в области бортов карстового провала. При разрушении свай на границе провала расчетный пролет ростверка над карстовым провалом увеличивается как минимум на два шага свай, что приведет к увеличению внутренних усилий в ростверке и, при недостаточной несущей способности ростверка, к возникновению аварийной ситуации.

Научная идея работы заключается в следующем. При образовании карстового провала, сваи, расположенные на краях провала, а также ростверк, воспринимают горизонтальное давление от обрушивающегося грунта. Разрушение этих свай приведет к существенному изменению схемы работы конструкций фундамента и может привести к аварийной ситуации. Определение напряженно-деформированного состояния системы «грунтовое основание -свайный фундамент» позволит оценить надежность и работоспособность свайного фундамента в условиях образования карстового провала.

Целью настоящего исследования является совершенствование метода расчета ленточных свайных фундаментов зданий и сооружений с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала.

Основнымн задачами работы являются следующие.

1. Анализ и систематизация существующих расчетных и экспериментальных материалов по расчету свайных фундаментов на закарстованных территориях, а также по расчету свай на горизонтальную нагрузку и определение на этой основе целесообразной области исследований.

2. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния системы «грунтовое основание - свайный фундамент» при обрушении грунта на границах карстового провала.

3. Исследование закономерностей действия горизонтального давления грунта на сваи в условиях образования карстового провала.

4. Исследование закономерностей формирования горизонтальной нагрузки на ростверк от реакции свай в месте сопряжения с ростверком.

5. Построение расчетной схемы и разработка аналитического (инженерного) метода расчета свай, учитывающего горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах провала.

Научная новизна.

1. На основе численных исследований выявлены особенности напряженно-деформированного состояния свай в составе ленточного свайного фундамента при обрушении грунта в результате карстового провала в зависимости от параметров карстового провала, грунтовых условий и длины свай.

2. Обоснована методика определения горизонтального давления грунта на сваи, расположенные на бортах провала.

3. Изучены закономерности формирования горизонтальной нагрузки на ростверк от реакции свай в месте сопряжения с ростверком.

4. Разработан метод расчета свай в составе ленточного свайного фундамента, расположенных на границах карстового провала и воспринимающих горизонтальное давление от обрушивающегося грунта.

5. Разработан новый метод расчета свайных ленточных фундаментов на карстоопасных основаниях, учитывающий горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах провала и позволяющий повысить надежность карстозащитных фундаментов.

Практическая ценность работы. Результаты исследований предназначены для расчетов и проектирования свайных фундаментов на закарстован-ных территориях.

Результаты работы внедрены при проектировании ленточных свайных фундаментов подземного паркинга жилого дома в м-не «Айгуль» г. Уфы.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций обусловлена:

- теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях механики грунтов, строительной механики, сопротивления материалов, инженерной геологии;

- применением в расчетах сертифицированных и верифицированных геотехнических расчетных программ, реализующих МКЭ.

Апробация результатов исследований.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- международной научно-технической конференции «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники», г. Санкт-Петербург, 2009г.;

- российской конференции с международным участием «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях», г. Уфа, 2012г.;

- международной конференции «Геотехника: теория и практика», СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург, 2013г;

- российской научно-технической конференции с международным участием «Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике», г. Липецк, 2013 г.

Личное участие автора в полученных результатах, заключается в следующем:

- в выборе и обосновании актуальности темы исследования;

- в формулировке научно-практической цели диссертационной работы и задач исследований;

- в выборе расчетных ситуаций и проведении численных экспериментальных исследований (в программных комплексах PLAXIS 2D, PLAXIS 3D Foundation, MIDAS GTS), оценке полученных результатов, их интерпретации и обобщении в виде формул и эпюр;

- в разработке аналитического метода расчета сваи на горизонтальную нагрузку с учетом шарнирного закрепления головы сваи;

- в разработке общей методики расчета карстозащитных ленточных свайных фундаментов с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала;

- подготовке публикаций по выполненной работе.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий ВАК Минобразования и науки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

На защиту выносятся результаты исследований и научные положения, на основании которых разработаны расчетный алгоритм и метод расчета ленточных свайных фундаментов, воспринимающих горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах карстового провала.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованных источников. Диссертационная работа изложена на 155 страницах печатного текста, включающего 67 рисунков, 26 таблиц, список использованных источников из 118 наименований.

Автор выражает благодарность и глубокую признательность научному руководителю д.т.н., проф. Готман A. JL, а также, за консультативное участие д.т.н. Готман Н. 3. и коллективу отдела оснований и фундаментов ГУП института «БашНИИстрой» за оказанную помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и основные задачи исследований. Кроме того, во введении приводятся научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен литературный обзор, дан краткий анализ методов расчета карстозащитных свайных фундаментов и свай на горизонтальную нагрузку.

Изучению карста как процесса и проблемам проектирования и строительства на закарстованных территориях посвящены работы российских и зарубежных ученых: Толмачева В.В., Хоменко В.П., Готмана AJI., Мулюко-ва Э.И., Сорочана Е.А., Мартина В.И., Тер-Мартиросяна 3. Г., Готман Н.З., Незамутдинова Ш.Р., Шахунянца Г. М., Метелюка Н.С., Троицкого Г.М., Илюхина В.А., Пономарёва А.Б., Зоценко H.JI., Aderhold G., Beck B.F., Reuter F., Milanovic P.T., Waltham T., Sowers G.F. и др.

Исследования ученых позволили разработать свод правил и рекомендаций в виде нормативных документов, регламентирующих проектирование фундаментов на карстоопасных основаниях. Основным расчетным параметром в нормативных документах является расчетный диаметр карстового провала для фундаментов на естественном основании или расчетный пролет ро-

стверка над карстовым провалом для свайных фундаментов. Расчет свайного фундамента на карстоопасном основании производится путём исключения из расчетов свай, попадающих в карстовый провал. Для обеспечения свободного выпадения свай из ростверка свай голова сваи оборачивается рубероидом, а арматурные выпуски срезаются. Изучение механизма формирования карстового провала в природных условиях показывает, что образование провала сопровождается гравитационным сдвижением грунтов на бортах провала. Действующие нормативные документы не регламентируют расчет свай на горизонтальное давление от обрушивающегося грунта на границе провала. Возможное разрушение свай, расположенных на границе провала приведет к увеличению расчетного пролета ростверка над карстовым провалом как минимум на 2*а, где а — шаг свай. Это в свою очередь приведет к существенному увеличению внутренних усилий в ростверке. При недостаточной несущей способности ростверка это может привести к аварийной ситуации.

Наиболее распространёнными свайными конструкциями, воспринимающими горизонтальное давление грунта, следует считать подпорные сооружения, в том числе и противооползневые. Проблемами расчета свайных подпорных сооружений занимались следующие российские ученые: Гинзбург JI.K., Маций С.И., Шадунц К.Ц., Готман A.JL, Шапиро Д.М., Добров Э.М., Веселовский Б.В., Дорфман А.Г., Пилягин, A.B., Школа A.B. и др. Особенностью исследуемой задачи является шарнирное закрепление верхнего конца сваи в ростверк, в отличие от классических подпорных или противооползневых сооружений с жестким закреплением. Свайный ряд является гибкой конструкцией, что позволяет оценивать его с позиций гибких подпорных стенок.

Давление грунта на гибкие подпорные стенки с анкерным креплением в верхней части изучалось Чеботаревым Г., Роу П., Терцаги К., Хансеном Б., Дубровы Г.А., Горюновым Б.Ф., Шихиевым Ю.М., Гончаровым Ю.М., Ма-ликовой Т.А., Богомоловым А.Н., Колыбиным И.В., Григорян A.A. и др. Характерной особенностью формирования давления на гибкие стенки является увеличение давления в верхней части стенки у анкерного крепления. Эпюры давления грунта, полученные на основании экспериментов и модельных испытаний, исследователи заменяли некоторым приближенным давлением.

Аналитические методы расчета жестких и гибких свай на горизонтальную нагрузку разрабатывались и развивались российскими и зарубежными учеными: Бусловым A.C., Готманом A.JL, Якоби Э.А., Лалетиным Н.В., Зи-язовым Я.Ш., Шахиревым Б.В., Шапиро Д.М., Завривевым К.С., Глотовым Н.М., Шпиро Г.С., Снитко Н.К., Ангельским Д.В., Лекумовичем Г.С., Федоровским В.Г., Знаменским В.В., Matlock Н, Reese L.C., Broms B.B. и др. Существующие методы расчета свай с достаточной для практического проектирования точностью позволяют определить внутренние усилия и выполнить расчет свай по I и II группе предельных состояний. При этом современные методы позволяют учитывать переменность сечения свай по длине, нелинейную зависимость перемещений от прикладываемых нагрузок, нелинейность деформаций грунтового основания, а также многослойность основания.

Во второй главе работы исследуются особенности напряженно-деформированного состояния системы «грунтовое основание - свайный фундамент» при образовании карстового провала.

Рассмотренный в главе 1 механизм образования карстовых провалов, позволяет выдвинуть предположение, о том, что сваи, расположенные на границах провала при определённых условиях могут разрушиться под воздействием горизонтального давления грунта на границе провала. Данное предположение исследуется путем численного моделирования задачи в геотехнических программах. Основным результатом моделирования является определение изгибающих моментов в сваях, расположенных на границе карстового провала, который затем сравнивается с допускаемым моментом.

В исследованиях рассматривается однорядный свайный ленточный фундамент из призматических забивных свай сечением 30x30см.

Для моделирования карстового провала принята расчетная схема образования круглоцилиндрического провала по Г.М. Шахунянцу.

Выделяются следующие основные факторы, влияющие на оцениваемые параметры решаемой задачи.

1. Грунтовые условия.

2. Конструкция свайного фундамента: длина свай, шаг свай, условия сопряжения свай с ростверком; рядность свай.

3. Геометрические размеры карстового провала: расчетный диаметр, прогнозируемая глубина.

Оценка влияния факторов производилась численными исследованиями с использованием геотехнических программ конечно-элементного анализа Plaxis 2D и Plaxis 3D Foundation. Рассмотрены несколько типов грунтовых оснований исходя из рациональной области применения свай: глинистые грунты полутвердой, тугопластичной и мягкопластичной консистенций, составляющие одно- и двухслойное основания.

Диапазон вариации длины свай, расчетного диаметра и глубины карстового провала выбирался исходя из следующих соображений и допущений.

1. Наиболее часто применяемая длина свай из опыта проектирования — от 4 до 12м.

2. Статистические данные натурных наблюдений за карстовыми провалами на территориях Республики Башкортостан, Пермского края, Нижегородской и Московской областей показывают, что наиболее часто встречаемые провалы имеют глубину в пределах 1,5-Юм, а диаметр - от 2 до 15м.

Вертикальная нагрузка на сваи принята равной 300 кН, что наиболее типично для фундаментов многоэтажных зданий при шаге свай 3d.

В качестве расчетной модели грунтового основания использовалась упругопластическая модель Кулона-Мора.

Всего выполнено 49 расчетов. Результаты выполненных расчетов показывают следующее.

1. Наибольшая зависимость изгибающих моментов наблюдается от грунтовых условий и глубины провала. Максимальные по значению изгибающие моменты получены при двухслойном фунтовом основании.

2. При глубине карстового провала до 4м в сваях не возникают изгибающие моменты, превышающие предельно допускаемый момент на сваю при любых грунтовых условиях и диаметрах провала.

3. Для глинистых грунтов от текуче- до мягкопластичной консистенции при глубине провала более 4м и при соотношении глубины провала s0bs к

длине сваи Ьсв зоЪз/Ьгв > 0,3 в сваях возникают изгибающие моменты, превышающие допускаемые. При соотношении 5оЬДсв > 0,75 не обеспечивается требуемая заделка свай в грунт для восприятия горизонтального давления.

Другим фактором, влияющим на схему работы свайного фундамента, является взаимное расположение карстового провала и свай в плане. Для расчета несущих конструкций расположение провалов принимают в местах, при которых в конструкциях здания, в частности фундаментах, возникают максимальные внутренние усилия. Для свайных ленточных фундаментов наиболее опасными представляются провалы, показанные на рисунке 1.

Рисунок 1 - Наиболее опасные варианты расположения карстового провала в плане относительно фундамента, £>0 - первоначальный диаметр карстового провала, Д - диаметр карстового провала после сдвижения фунта на бортах провала

Исследование влияния положения провала выполнялось численным моделированием в геотехнической программе Midas GTS. Исходные данные принимались с учетом результатов выполненных исследований, а именно:

- глубина карстовых провалов jobs - от 4м до 10м;

- длина сваи принята равной LCB= 12м с учетом условия sobs/¿cB < 0,75;

- грунтовое основание принято двухслойным.

Шаг свай рассмотрен в двух вариантах - 3d и 6d.

Основные расчеты выполнены в Midas GTS для двух различных случаев.

1. Карстовый провал моделируется круглоцилиндрической формы. Сваи моделируются стержневыми элементами балочного типа (embedded piles). Рассмотрены оба варианта расположения провала относительно фундамента по рисунку 1. Расчётные модели представлены на рисунке 2.

2. Моделирование провала производится в форме прямоугольной призмы. Сваи моделируются объемными конечными элементами. Расчетная схема представлена на рисунке 3.

По результатам расчетов определены максимальные изгибающие моменты в сваях. Максимально допускаемый момент на сваю по серии 1.011.1-10 равен Мд0П=38кН м.

Рисунок 3 - Расчетная модель. Расчетный случай 2 Максимальные изгибающие моменты в сваях по расчетному случаю 1 и 2 приведены в таблицах 1, 2.

Диаметр провала Д м Шаг свай, м Глубина провала, м

4 7 10

6 0,9 19,4 47 124*

1,8 16,7 36 178*

10 0,9 19,4 75,4 186*

1,8 20 98 246*

Рисунок 2 - Расчетные модели при образовании карстового провала. Расчетный случай 1

Вариант рис.1а

Вариант рис. 16

Таблица 2 Расчетный случай 2. Изгибающие моменты в сваях, кН м

Шаг свай, м Глубина провала, м

4 7 10

0,9 21 68 220*

1,8 22,4 101 355*

* - данные расчеты не завершились из-за разрушения грунта (нарушение условия прочности Кулона-Мора). Значения моментов приведены максимально достигнутые в момент разрушения грунта.

Результаты расчетов подтверждают диапазон, при котором изгибающий момент, возникающий в сваях, превышает допускаемый. Более опасным с точки зрения возникающих в сваях моментов является вариант на рисунке 16.

Особенностью моделирования провала в виде цилиндрического объема является наличие «арочного эффекта» в допредельных состояниях грунта, снижающего радиальную составляющую горизонтального давления. Изгибающие моменты в сваях для разных случаев моделирования различаются на 8%-181% при диаметре провала 6м и на 3%-11% - при диаметре провала 10м. Учитывая, что карст может иметь форму в плане, отличающуюся от окружности, а также из-за возможной неоднородности грунтового массива, рекомендуется давление на сваю определять по схеме, показанной на рисунке 3.

Численные исследования показали, что ростверк воспринимает горизонтальную нагрузку от реакций свай и работает на изгиб в горизонтальной плоскости, что не учитывается в действующих нормативных документах при расчете карстозащитных фундаментов.

Таким образом, результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния свайного фундамента при образовании карстового провала выявили, что в сваях на границе провала при определённых соотношениях длины свай и глубины провала, а также грунтовых условий, возникают изгибающие моменты, превышающие допускаемые. Поэтому, существует необходимость разработки метода расчета свайных фундаментов при образовании карстового провала с учетом возникающего горизонтального давления на сваю от обрушения грунта на бортах провала.

В третьей главе изложена методика определения горизонтального давления грунта на сваи и ростверк.

Горизонтальное давление грунта на сваи может формироваться по двум схемам, приведенным на рисунке 1. Несмотря на то, что первоначальный карстовый провал имеет преимущественно круглоцилиндрическую форму, любая неоднородность в грунтовом массиве может изменить очертание провала в плане. Поэтому, в условиях таких неопределенностей расчет горизонтального давления следует производить в запас по модели, представленной на рисунке 3.

Анализ результатов численных экспериментов в главе 2 показал, что наблюдается некоторая закономерность формирования горизонтального давления на сваю по её высоте в виде увеличения давления в верхней части сваи. С целью исследования закономерностей распределения давления грунта по высоте сваи выполнены численные расчеты в Midas GTS для глинистых и песчаных грунтов различной консистенции при изменении глубины карстового провала от 3 до 8м. Физико-механические характеристики грунтов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Физико-механические характеристик грунтов

Наименование грунтов По показателю текучести Коэфф. Пуассона Коэфф. пористости е Модуль деформации Е, МПа Удельное сцепление с, кПа Угол внутреннего трения р,град

Супеси Текучие 0,35 0,75 10 И 21

Суглинки Полутвердые 0,35 0,75 17 25 23

Мягкопла-стичные 0,37 0,85 10 12 13

Пески Средней плотности 0,3 - 28 3 30

По результатам выполненных расчетов построены эпюры горизонтального давления грунта на сваю при различных глубинах провала. Так как горизонтальное давление зависит от горизонтального перемещения (податливости) головы сваи, расчеты выполнялись как при неподвижном шарнирном закреплении головы сваи, так и с учетом горизонтальной податливости головы сваи принятой 250 т/м. Характерная эпюра давления представлена на рисунке 4.

На основе анализа результатов расчетов выделяются три зоны формирования давления (рисунок 4).

В зоне 1 наличие шарнирно неподвижного закрепления головы сваи приводит к формированию давления большего, чем давление покоя, но меньшего, чем пассивное при абсолютно неподвижном закреплении, либо давления, равного давлению покоя или активному давлению по мере возрастания податливости закрепления. Глубже по длине сваи давление грунта уменьшается с увеличением горизонтального перемещения сваи.

Зона 2 является «переходной» зоной. На данном участке сваи горизонтальные перемещения сваи достигают наибольших значений, и давление грунта приближается или становится равным активному давлению, определяемого по классической теории Кулона.

В зоне 3 горизонтальные перемещения сваи уменьшаются, и наблюдается увеличение давления на сваю, которое становится равным активному давлению или занимает промежуточное значение между активным давлением и давлением покоя.

Значения давления имеют зависимость от прочностных характеристик грунта и глубины карстового провала. Эпюры давления грунта могут быть аппроксимированы двумя функциями: в виде линейной и билинейной. Выбор аппроксимации осуществляется оценкой некоторого приведенного давления <7„, вычисляемого по формуле (1).

^ = = О,4^с-^45°-0 (1)

В формуле (1) коэффициент 0,4 получен эмпирическим путем по результатам численного моделирования.

При <7„<20 кН/м2 давление грунта ^ аппроксимируется линейно возрастающей функцией от глубины г

Я2=кг. (2)

давлений грунта

Коэффициент пропорциональности к вычисляется из условия, что на глубине г=яоЬз давление ц-,=Рм где Ра - активное давление грунта по Кулону на глубине карстового провала 5оЬ5.

При ^„>20 кН/м2 давление грунта на сваю аппроксимируется билинейной функцией. До глубины 0,4?оЬз давление принимается равномерно распределенной и определяется по формуле (3).

д,=!г0>4-^-(1-8тр),где (3)

у - удельный вес грунта.

Ниже глубины 0,4л'оЬз - давление возрастает по линейному закону до величины, определяемой по формуле (4).

& = Ро ~Чп = Ро -0,4^ (4)

р0 - давление покоя на глубине

Примеры аппроксимированных с помощью формул (1)-(4) эпюр давления представлены на рисунке 5.

В параграфе 3.2 определяется горизонтальная нагрузка на ростверк от реакции свай. Для определения характера эпюры распределения горизонтальной нагрузки на ростверк выполнены численные расчеты и построены эпюры для различных геометрических размеров карстовых провалов, шага свай, свойств грунтов и взаимного расположения карстового провала и фундамента (рисунок 6).

Давление грунта на сваю, кН/м1

Давление грунта на сваю, кН/м1

20 40 60

Рисунок 5 Аппроксимированные эпюры горизонтального давления на сваю:

слева - глубина провала - 5м, грунт - супесь текучая, qп=15,lкH/м2 < 20кН/м2; справа - глубина провала - 6м, грунт - суглинок мягкопластичный, qп=22,9кH/м2 > 20кН/м2; 1 - давление покоя, 2 - давление по Кулону, 3 - давление по расчету, 4 - линейно аппроксимированное давление, 5 - билинейно аппроксимированное давление

Ось карстового провала _Эпюра горизонтальной нагрузки

IГП ГШ

Ростверк

Рисунок 6 - Эпюра горизонтальной нагрузки на ростверк, Ь — половина длины зоны распределения нагрузки; Р — максимальная реакция сваи.

Результаты расчетов показали, что величина нагрузки и характер её распределения по длине ростверка зависят в большей степени от геометрических размеров провала, чем от грунтовых условий. Шаг свай влияет на значение горизонтальной нагрузки (реакция свай), а на её распределение по длине ростверка влияние шага незначительно. Поэтому длина зоны распределения горизонтальной нагрузки оценивалась в зависимости от размеров провала соотношением Относительная длина зоны распределения горизон-

тальной нагрузки на ростверк для различных видов грунтов для варианта расположения провала по рисунку 16 представлена в таблице 2.

Таблица 2 Относительная длина зоны распределения горизонтальной нагрузки на ростверк для различных видов грунтов по СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений»__

Наименование грунтов По показателю текучести ь-О)

Шаг свай 0,9м; 0=6м; 5„/,,=7м Шаг свай 1,8м; £)=10м; .ч„/)1=7м

Супеси Пластичные 0,19 0,17

Текучие 0,21 0,21

Суглинки Полутвердые 0,21 0,18

Туго пластичные 0,23 0,21

Мягкопластичные 0,23 0,22

Глины Полутвердые 0,21 0,18

Туго пластичные 0,26 0,28

Мягкопластичные 0,28 0,26

Результаты расчетов показывают, что для всех типов грунтов наблюдается линейная зависимость длины зоны распределения от геометрических размеров карстового провала. На основе анализа полученных результатов построены расчетные эпюры горизонтальной нагрузки на ростверк для различного расположения фундаментов относительно провала (рисунок 7).

Для глшшстых грунтов Для песчаных грунтов

Ось симметрии Карстовый провал

Рисунок 7 Эпюры горизонтальной нагрузки на ростверк

Сопоставление полученных реакций свай для вариантов расчета при касательном и центральном расположении провала к ростверку (рисунок 7) показывает, что для глинистых грунтов максимальная реакция свай Р\=0,45Г, а для песчаных - ^=0,25/Г.

В четвертой главе составлена расчетная схема сваи для рассматриваемой задачи. В отличие от расчетной схемы сваи по нормативным документам (СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов», СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты») в данной задаче свая имеет шарнирное закрепление верхнего конца сваи.

С учетом результатов определения горизонтального давления на сваю в главе 3 составлены две расчетные схемы в зависимости от аппроксимации эпюры давления.

Методика расчета сваи при линейном распределении горизонтального давления грунта выглядит следующим образом.

Свая представлена как изгибаемый от горизонтального давления грунта qz стержень длиной LCB, верхний конец которого шарнирно закреплен в ростверке, а нижний - упруго защемлен на уровне дна карстового провала. Стержень принят расположенным на упругом основании Фусса-Винклера.

Выбрана система координат yz. Ось z направлена вниз и совмещена с осью сваи. Ось у совмещена с поверхностью грунта. Через uz обозначено горизонтальное перемещение сваи на глубине z от поверхности грунта, а через <рг - угол поворота сечения сваи в этом месте. Через Mz обозначен изгибающий момент в поперечном сечении сваи на глубине z, через Qz - поперечная сила в этом сечении. В поперечном сечении сваи в месте шарнирного сопряжения с ростверком действуют поперечная сила Qv а угол поворота этого сечения равен <р0. Расчетная схема сваи с принятыми обозначениями представлена на рисунке 8.

Усилия в свае Mz и Ох связаны с перемещением uz и углом поворота (pz зависимостями

(5)

a: a: EI a: d:

где Е — модуль упругости материала сваи; /- момент инерции поперечного сечения сваи.

На глубине И, равной глубине карстового провала sobs, от подошвы ростверка перемещение сваи г<0ь и угол поворота <р0ь определяются по формулам

"о>, = Mqh8HM + Qqh5„H

(6)

(Poh = M4hSm, + QqhSKIH, где SHH и8ш - горизонтальное перемещение и угол поворота сваи соответственно в уровне поверхности скольжения от действия поперечной силы Q,,},=1; 5hM uSmi - то же от изгибающего момента A/qh= 1.

Определим перемещение сваи uoh и угол поворота <poh на глубине И, принимая, что перемещения верхнего конца сваи равны нулю. Тогда, перемещение ¡/oh и угол поворота <р0и определяются из следующих выражений

Кн=<РыЬ--

Qqti , qh

4

3 EI 30 EI (7)

qh3

Приравнивая правые части выражений (6) и (7) и записывая уравнения равновесия на глубине Л, получим систему из четырех уравнений, в которых неизвестными являются <р0, Мф, ()ф.

Рисунок 8 - Расчетная схема сваи при линейно возрастающем распределении горизонтального давления грунта

'-3 1.4

1 2 24

(8)

Подставляя Мф и из третьего и четвертого уравнений системы в первые два, получено решение их относительно £>ч и <р0.

^(З/гЧл) ^2(-А4-С)

= 20(2 И,+В)1 % = 120£/(2й3+б)'

где через А, В, С обозначены следующие выражения

А = Ю£/(4МЙМ +Ъднн +5т,-И2), В = ЗЕ1(2Ь5т+5нн+Яш1Иг), С = 120£/2 {дш5нн — ) + Л■ £/(-125нмИ + 75<УШ -7<^Л2). Дифференциальное уравнение изгиба оси сваи описывается выражением

(п)

ск* Ы

Нагрузка является линейно возрастающей функцией от глубины

Яг = кг. (12)

Последовательно интегрируя дифференциальное уравнение (11) и учитывая граничные условия, определяется функция и (г)

»(* = 0) = = 0) = <р0фг = 0) = оф2 = 0) = £.

Тогда, уравнение изгиба сваи до глубины Л=л'оЬ5 описывается выражением

' _4 Л .2 N

4 ' Е1

к?

--+ — — + <Ро

120 6 Го

Изгибающие моменты могут быть определены из уравнения

(13)

(14)

Расчетная схема для методики расчета сваи при билинейном распределении горизонтального давления грунта представлена на рисунке 9.

Используя рассмотренный ранее подход, перемещение сваи и0ь и угол поворота <р0ь на глубине И определяются из выражения

3£/ 8£/

</А4

30£/

3 Л

24£/

Ро* = % +

2,Л2 Чгк

(15)

2 £/ 6Е1 24 Е1 Здесь Н2=Ь-Н\.

Приравнивая правые части уравнений (6) и (15), получена система из четырех уравнений, в которых неизвестными являются (Эо, £)ч, А/(|ь

а/'5 яЛ

<р„И—2—+ —— + 0 3 Е1 8 Е1

'^ЖЖ+яА

™ 2 6 24

2 6

30£/ 1 124£/

= Е1(м,11!<51Ш + д¥1дШ1)

Рисунок 9 — Расчетная схема сваи при билинейном распределении давления Решением системы уравнений относительно <2ч и <ро являются выражения

20 ш{ы • Л -Щ - ]]+с,

30£7 А

<Ро=-

20 (/г3 + £>)

24£7

(17)

120£7(Л3 + £>)

где через Л/, В¡, С¡, О,, Л2, В2, С2 обозначены следующие выражения А, = 3/г<7, + 25нн ) + }г1ц1 (38„„ +1^8ш ), В1 = З/ггд (М,й( + 2<УЯМ ) + (3 8Ш + Л^), С, = 5д1И* + дХ(5Ь-41г2), И = £/[£/ (<УЯМЛ + ) ■- к(8ш, А ■- ^ )],

Е = 120£/2[(зЛ^,+^{3//-/г2})(«ш -<&,)]• (18)

Л2 = 2/г2[Л1-2кд,{Ь8ш +58НН)] + ^2{8ММЬ-8НН),

В2 = 5/г3 [3/г<7, (/иАМ + 5<5,ш ) + 4^2//2 + /гА„, )] -1+ <?,„,),

С2 = Л2 [5/г4?1 + 2/г^<72(6/г, - 5/г)].

Уравнение изгиба сваи определяется путем интегрирования дифференциальной зависимости (11) по рассмотренному выше алгоритму на двух

участках в соответствии с характером приложенной нагрузки. При этом на участке сваи 2=//1...5,оЬ5 постоянные интегрирования определяются из условия неразрывности деформаций и внутренних усилий на глубине г=И\.

Уравнение изгиба сваи на участке определяется выражением

' „ -3 п -2 Л <?.- | (~У

24 6

v ' EI

(19)

Уравнение изгиба сваи с глубины до г=И в общем виде имеет следующее выражение

El

с - с

2 Л

120

+-

+ C3z, +СА,

где постоянные интегрирования определяются выражениями

ъ=2

2 El

+ QX

+ QA=C2

EI

я А3 , QA

2 N

24

- <Р<А = Q

Изгибающие моменты определяются из уравнения

Расчетный изгибающий момент М должен удовлетворять условию М < М„,., где

(20)

(21)

(22)

(23)

Miit _ предельный изгибающий момент, воспринимаемый сваей. Значения Mah приводятся в соответствующих ГОСТ, ТУ или сериях на сваи.

В рассмотренной методике грунтовое основание описывается единичными перемещениями сваи 8НН,5Ш,8Ш, иô/a/ на уровне дна карстового провала. Значения этих перемещений могут быть определены с использованием любой расчетной модели грунтового основания и распределения коэффициента постели по длине сваи, например, по методике, приведенной в СП 50102-2003 «Свайные фундаменты» для линейно возрастающего коэффициента постели.

Таким образом, разработанная методика позволяет выполнить поверочный расчет сваи, расположенной на краю карстового провала и воспринимающей горизонтальное давление от обрушивающегося грунта на бортах провала. Расчет ростверка следует производить по полученным в главе 3 эпюрам распределения горизонтального давления от определяемых реакций свай.

Сопоставительный расчет по разработанному методу и в трехмерной постановке МКЭ по геотехнической программе MIDAS GTS на примере ленточного свайного карстозащитного фундамента магазина Leroy Merlin в г.Уфе показала, что результаты расчетов сопоставимы и отличаются на 11%.

Результаты исследований внедрены при проектировании карстозащит-ных фундаментов подземного паркинга около жилого дома в г. Уфа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе проведенных исследований получены следующие основные результаты, позволяющие выполнить проектирование карстозащитных свайных ленточных фундаментов из призматических забивных свай с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала.

1. Путем проведения серий численных экспериментов, основанных на методе конечных элементов с использованием нелинейной упругопластиче-ской модели грунта исследована работа системы «грунтовое основание -свайный фундамент» и выявлена специфика работы конструкций фундаментов при образовании карстового провала, а именно:

- при образовании карстового провала в момент обрушения грунта бортов воронки на сваи передается горизонтальное давление фунта, которое в свою очередь от свай передается на ростверк, что в настоящее время не учитывается действующими нормативными документами;

- изгибающие моменты в сваях от давления обрушающегося грунта существенно зависят от длины свай, грунтовых условий и от глубины карстового провала и практически не зависят от диаметра карстового провала.

2. Установлено, что при образовании карстового провала в сваях на границе провала возникают изгибающие моменты, превышающие максимально допускаемые для свай сечением 30x30 см, армированных по ГОСТ 198042012, при глубине карстового провала более 4 м, а также в глинистых грунтах при соотношении 8ОВАВ>0,3.

При соотношении §ОВ5/1СВ>0,75 не обеспечивается требуемая заделка свай в грунт для восприятия горизонтального давления. В этом случае необходимо увеличить длину свай, либо исключить их из работы при расчете ростверка.

3. По результатам моделирования напряженно-деформированного состояния системы «грунтовое основание - свайный фундамент» при действии горизонтального давления на сваю обрушающегося грунта и шарнирном сопряжении головы сваи с ростверком получено существенное отличие эпюры горизонтального давления грунта на сваю от активного давления по теории Кулона, заключающееся в том, что в верхней части сваи наблюдается концентрация давления, которое с глубиной быстро уменьшается, а затем вновь увеличивается по линейной зависимости.

4. На основе анализа выявленных особенностей по результатам численных экспериментов в различных грунтовых условиях:

- аппроксимированы эпюры распределения горизонтальной нагрузки на сваи в виде линейной и билинейной функции в зависимости от физико-механических свойств грунта и глубины провала;

- получены эмпирические формулы для определения значений горизонтального давления грунта для двух вариантов эпюр распределения давления;

- определены закономерности распределения горизонтальной нагрузки на ростверк от реакции свай в месте сопряжения с ростверком и построены расчетные эпюры горизонтальной нагрузки в зависимости от грунтовых условий, геометрических размеров карстового провала и его расположения относительно фундамента в плане.

5. На основе полученных данных построены две расчетные схемы сваи, работающих на воздействие горизонтального давления грунта:

а) горизонтальное давление грунта на сваю распределяется на глубине по линейной зависимости;

б) то же, по билинейной зависимости.

Сопряжение головы сваи с ростверком принято шарнирным.

6. Для обоих вариантов схем разработан аналитический метод расчета сваи, который позволяет определить эпюру изгибающих моментов по длине сваи от действия горизонтального давления грунта и горизонтальную нагрузку на ростверк от сваи в месте ее сопряжения с ростверком.

7. Выполнено сопоставление результатов определения изгибающего момента в свае аналитическим способом и моделированием в трехмерной постановке МКЭ по геотехнической программе (упругопластическая задача). Погрешность расчета по сравнению с трудоемким трехмерным моделированием составила 11%, что позволяет рекомендовать разработанный метод для практического проектирования.

8. На основе выполненной исследовательской работы представлен общий алгоритм расчета свайных ленточных фундаментов, включая расчет сваи и ростверка, на закарстованных территориях с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Готман А.Л., Магзумов Р.Н. Исследование НДС свай на границе карстового провала // Вестник гражданских инженеров. С.-П., 2013. — № 4(39).-С. 125-132.

2. Готман А.Л., Магзумов Р.Н. Метод расчета свайных ленточных фундаментов при образовании карстового провала // Вестник МГСУ - М., №2, 2014.-С. 74-83.

3. Магзумов Р.Н. Определение дополнительных нагрузок на ленточные свайные фундаменты при образовании карстового провала // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета . 2014.-№ 1 (19).-С. 125-130.

4. Готман А.Л., Магзумов Р.Н. К вопросу проектирования свайных фундаментов на карстоопасных основаниях // Труды российской конференции с международным участием «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях» - Уфа, 2012. — С. 30-35.

5. Готман Н. 3., Магзумов Р. Н. Учет горизонтальных перемещений грунта в расчете свайных фундаментов на закарстованных территориях // Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники: Межвузовский тематический сборник трудов / СПбГАСУ. - СПб., 2009. - Т. 2. - С. 45-49.

6. Готман Н.З., Магзумов Р.Н. Расчет карстозащитных фундаментов с учетом горизонтальных нагрузок от карстовых деформаций. Сб. тр. ГУП института БашНИИстрой, выпуск 77, - 2010, С. 8-20.

7. Готман А.Л., Магзумов Р.Н. Усовершенствование расчета карстозащитных свайных фундаментов // Материалы научно-технической конференции с международным участием «Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике» - Липецк, Изд.: М.: «Палеотип», 2013. - С. 138-142.

Заказ № 10008 Тираж: 140 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Магзумов Раил Наилович

РАСЧЕТ СВАЙНЫХ ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА КАРСТООПАСНЫХ ОСНОВАНИЯХ С УЧЕТОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ОБРУШЕНИИ ГРУНТА НА ГРАНИЦАХ ПРОВАЛА

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

0420146047

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор Готман Альфред Леонидович

Пермь-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. Расчет и проектирование свайных фундаментов на закарстованных территориях. Литературный обзор........................................................................9

1.1 Механизм карстовых деформаций.............................................................11

1.2 Методика расчета свайных фундаментов на закарстованных территориях........................................................................................................13

1.3 Методика расчета свайных конструкций на горизонтальное давление грунта..................................................................................................................16

1.3.1 Расчетные схемы и методы расчета подпорных конструкций из свай .............................................................................................................................19

1.3.2 Расчет одиночных свай на горизонтальную нагрузку..........................20

1.3.2.1 Методы расчета жестких свай..............................................................21

1.3.2.2 Методы расчета гибких свай................................................................25

1.3.3 Определение коэффициента постели при расчете свай на горизонтальную нагрузку.................................................................................30

1.3.4 Расчет свайных рядов на возможность продавливания грунта между

сваями.................................................................................................................36

Выводы по главе 1.............................................................................................39

Глава 2. Постановка задачи расчета свай на горизонтальное давление при

образовании карстового провала.........................................................................40

Расчетный случай 1...........................................................................................57

Расчетный случай 2...........................................................................................60

Расчетный случай 3...........................................................................................68

Выводы по главе 2.............................................................................................74

Глава 3. Определение горизонтального давления от грунта на сваи и ростверк

..................................................................................................................................76

3.1 Определение горизонтального давления на сваи от грунта....................78

3.2 Определение горизонтального давления на ростверк...........................101

3.2.1 Определение горизонтального давления на ростверк при расположении карстового провала касательно к ростверку.......................101

3.2.2 Определение горизонтального давления на ростверк при расположении карстового провала центрально к ростверку......................106

3.3 Расчет узла сопряжения сваи с ростверком............................................110

Выводы по главе 3...........................................................................................111

Глава 4. Методика расчета свай в составе свайного фундамента с учетом горизонтального давления от грунта на сваи...................................................113

4.1 Методика расчета свай в составе свайного фундамента с учетом горизонтального давления от грунта на сваи...............................................115

4.1.1 Методика расчета сваи при линейноМ распределении горизонтального давления грунта..................................................................115

4.1.2 Методика расчета сваи при билинейном распределении горизонтального давления грунта..................................................................120

4.2 Варианты расчета сваи и сравнительный анализ...................................129

4.2.1 Расчет сваи МКЭ с использованием коэффициента постели по результатам статического зондирования......................................................130

4.2.2 Расчет сваи в геотехнической программе............................................131

4.2.3 Сравнительный расчет свай при образовании карствого провала на примере свайного ленточного фундамента магазина LEROY MERLIN в г.Уфе..................................................................................................................133

4.3 Порядок расчета свайных ленточных фундаментов на закарстованных

территориях......................................................................................................144

Выводы по главе 4:..........................................................................................145

Общие выводы.................................................................................................147

Список использованных источников.................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Высокая плотность застройки в городской черте, потребность и желание возводить здания на географически и экономически выгодных территориях часто приводит к необходимости строить здания и сооружения на неблагоприятных территориях с точки зрения геологического строения основания и процессов, протекающих в грунтах. Одним из таких опасных и малоизученных процессов является карст. Существуют различные типы карстовых форм. В условиях покрытого карста - это в основном оседания в виде мульд и подземные гравитационные обрушения в виде сводообразных или цилиндрических провалов с выходом на поверхность. Наиболее опасным типом карстовых деформаций являются гравитационные обрушения в виде карстовых провалов, учитывая их способность привести к существенным экономическим и социальным последствиям за короткий промежуток времени.

Для зданий и сооружений на закарстованных территориях достаточно широко применяются свайные фундаменты с ростверками в виде плит и перекрёстных лент. Проектирование таких фундаментов выполняется на основании расчетов, основным параметром в которых является расчетный диаметр карстового провала, определяемый согласно категории карстовой опасности. Деформации основания при образовании карстового провала учитываются исключением из расчета свай, попадающих в зону образования провала и снижением коэффициента постели свай, расположенных вокруг провала.

Карстовый провал имеет некоторую глубину, и сваи, расположенные на границе карстового провала, воспринимают горизонтальное давление из-за обрушения грунта на бортах карстового провала. Анализ проектной документации показывает, что, как правило, при проектировании фундаментов при отсутствии горизонтальных сил на сваю применяются

стандартные «слабоармнрованные» сваи по ГОСТу. Такие сваи имеют весьма ограниченную несущую способность при деформациях изгиба, возникающих при действии горизонтальных сил. Очевидно, что при разрушении свай на границе провала расчетный диаметр провала увеличивается как минимум на 2*а, где а - шаг свай. Это в свою очередь приведет к существенному увеличению внутренних усилий в ростверке или плите, что следует учитывать в расчетной схеме и, далее, при принятий решений по армированию несущих конструкций. Так как в действующих нормах отсутствуют требования о необходимости расчетов свай на горизонтальные нагрузки от горизонтальных перемещений грунта в области бортов карстового провала, в данной работе выполнено исследование закономерностей поведения конструкций свайного фундамента, работающих в условиях образования карстового провала.

Научная идея работы, определяющая направление исследований, заключается в том, что при образовании карстового провала, сваи, расположенные на краях провала, воспринимают горизонтальную нагрузку от обрушивающегося грунта. Разрушение этих свай приведет к существенному изменению схемы работы конструкций фундамента и может привести к аварийной ситуации.

Актуальность работы обусловлена увеличением объемов освоения закарстованных территорий и отсутствием метода расчета свайных фундаментов, учитывающих горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах провала.

Целью работы является совершенствование методов расчета ленточных свайных фундаментов зданий и сооружений с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

анализ и систематизация существующих расчетных и экспериментальных материалов по расчету свайных фундаментов на

закарстованных территориях, а также по расчету свай на горизонтальную нагрузку и определение на этой основе целесообразной области исследований;

исследование особенностей напряженно-деформированного состояния системы «основание - свайный фундамент» при обрушении грунта на границах карстового провала;

- исследование закономерностей действия горизонтального давления грунта на сваи в условиях образования карстового провала;

- исследование закономерностей формирования горизонтального давления на ростверк от реакции свай в месте сопряжения с ростверком;

построение расчетной схемы и разработка аналитического (инженерного) метода расчета свай, учитывающего горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах провала.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

на основе численных исследований выявлены особенности напряженно-деформированного состояния свай в составе ленточного свайного фундамента при обрушении грунта в результате карстового провала в зависимости от параметров карстового провала, грунтовых условий и длины свай;

- обоснована методика определения горизонтального давления грунта на сваи, расположенные на бортах провала;

- выявлены закономерности формирования горизонтального давления на ростверк от реакции свай в месте сопряжения с ростверком;

- разработан метод расчета свай в составе ленточного свайного фундамента, расположенных на границах карстового провала и воспринимающих горизонтальное давление от обрушивающегося грунта;

- разработан новый метод расчета свайных ленточных фундаментов на карстоопасных основаниях, учитывающий горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах провала.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций обусловлена:

теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях механики грунтов, теории упругости, инженерной геологии;

- использованием в расчетах сертифицированных геотехнических расчетных программ, реализующих МКЭ с использованием верифицированных моделей грунта.

Практическая ценность работы. Результаты исследований могут быть использованы проектировщиками при проектировании свайных фундаментов на закарстованных территориях.

Практические результаты работы:

- разработаны рекомендации по расчету свайных фундаментов на закарстованных территориях, учитывающие горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах провала;

- результаты исследований внедрены при проектировании фундаментов подземного паркинга около жилого дома в г. Уфа.

На защиту выносятся результаты исследований и научные положения, на основании которых разработаны расчетный алгоритм и метод расчета ленточных свайных фундаментов, воспринимающих горизонтальное давление от обрушения грунта на бортах карстового провала.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались или публиковались в трудах на следующих конференциях и семинарах:

- международной научно-технической конференции «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники», г. Санкт-Петербург, 2009г.;

российской конференции с международным участием «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях», г. Уфа, 2012г.;

- международной конференции «Геотехника: теория и практика», СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург, 2013г;

- российской научно-технической конференции с международным участием «Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике», г. Липецк, 2013 г.

Публикации. Содержание выполненных работ опубликовано в 7 статьях [19-22, 24, 29, 52], в том числе три статьи в сборниках, входящих в перечень изданий ВАК.

Автор выражает благодарность и глубокую признательность научному руководителю д.т.н., проф. Готман А. Л., а также, за консультативное участие д.т.н. Готман Н. 3. и коллективу отдела оснований и фундаментов ГУП института «БашНИИстрой» за оказанную помощь в работе над диссертацией.

ГЛАВА 1. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ЗАКАРСТОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Изучением карста как процесса и проблемами проектирования и строительства на закарстованных территориях занимались многие российские ученые: Мулюков Э.И. [64, 65, 73], Сорочан Е.А. [83-85], Толмачев В.В. [61, 83, 85, 91-93], Хоменко В.П. [46, 61, 93, 101], Готман А.Л., Готман Н.З. [15, 16, 25-28, 72], Мартин В.И. [56, 61], Незамутдинов Ш.Р. [67, 73], Метелюк Н.С. [59, 60], Троицкий Г.М. [84, 85, 92, 93, 95], Илюхин В.А. [43], Гарбер В.А. [9] и др. Из зарубежных исследователей данной проблемой занимались: Адерхолд Г. [1], Beck B.F. [108], Reuter F. [115], Milanovic P.T. [113], WalthamT. [118], Bell F.G. [109], Sowers G.F. [117] и др.

На территории Российской Федерации действуют следующие нормативные документы, регламентирующие строительство на карстоопасных территориях: «Рекомендации к проектированию фундаментов на закарстованных территориях» [75], разработанные в НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, ТСН 22-308-98 «Инженерные изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области» [96], «Рекомендации по проведению инженерных изысканий, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области» [74], «Рекомендации по расчету плитных фундаментов на естественном и искусственном основании в карстоопасных грунтах» [76], разработанные в БашНИИстрое, а также ТСН 302-50-95 «Инструкция по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях. Республика Башкортостан» [97] и дополнение к ТСН 302-50-95 [35].

Мероприятия противокарстовой защиты согласно нормам [74-76, 96, 97] рекомендуется назначать, комплексно учитывая ряд факторов, а именно:

уровень ответственности зданий и сооружений, инженерно-геологические изыскания, геоэкологические аспекты, тип карстоопасности территории, устойчивость территории относительно карстовых провалов, прогнозируемые размеры карстовых деформаций.

При проектировании зданий и сооружений на закарстованных территориях в соответствии с действующими нормативными документами [74-76, 96, 97] необходимо предусматривать мероприятия противокарстовой защиты, которые подразделяются на 3 группы: профилактические, конструктивные, геотехнические.

Профилактические мероприятия противокарстовой защиты включают в себя водозащитные, противофильтрационные и планировочные мероприятия. Целью профилактических методов защиты является снижение активности карстово-суффозионного процесса.

Конструктивные мероприятия включают в себя создание такой конструктивной схемы сооружения, которая при образовании карстовых деформаций в пятне здания допускает передачу дополнительных усилий на несущие элементы схемы без их разрушения, или вовсе их исключает.

Геотехнические мероприятия противокарстовой защиты включают тампонаж полостей, закрепление слоев карстующихся грунтов, или закрепление покрывных грунтов в основном методами напорной цементации. Целью геотехнических мероприятий противокарстовой защиты является полное исключение влияния карстовых процессов на устойчивость сооружения, или недопущение развития карстовых деформаций.

При проектировании зданий и сооружений в условиях покрытого карста конструктивные противокарстовые мероприятия следует считать приоритетными.

В данном исследовании рассматриваются конструктивные мероприятия, а именно проектирование и устройство ленточных свайных фундаментов с учётом образования карстовых провалов. Под карстовым

провалом понимают быструю деформацию земной поверхности (основания сооружения) с нарушением сплошности грунтов вследствие обрушения горных пород над карстовыми полостями [93]. Основным параметром карстового провала принято считать её расчетный диаметр, который определяется в соответствии с требованиями норм по таблице, полученной на основе статистического анализа форм поверхностных карстопроявлений. Но статистические данные не учитывают ряд параметров: давление на основание от веса здания (сооружения), первоначальный диаметр провала, первоначальная глубина провала, влияние заглубленности подземной части здания, наличие вертикальных армирующих элементов (свай).

1.1 МЕХАНИЗМ КАРСТОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Механизму карстовых деформаций посвящены работы следующих карстоведов: Толмачева В.В. [61, 83, 85, 91-93], Травкина А.И. [45, 94], Незамутдинова Ш.Р. [67, 73], Протодьяконова М.М. [71], Андрейчук В.Н. [3], Хоменко В.П. [46, 61, 93, 101], Адерхолд Г.И. [1] и др.

В зависимости от расположения карстующихся пород относительно поверхности земли выделяются два типа карста: открытый и покрытый. На территории Республики Башкортостан и в других субъектах Росс