автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Совершенствование метода проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай

На правах рукописи

005537653

Маршалка Андрей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ (НА ПРИМЕРЕ ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ)

Специальность 05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013

Волгоград 2013

005537653

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Кандидат технических наук, Мариничев Максим Борисович

доцент

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Скибин Геннадий Михайлович, заведующий кафедрой «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментострое-ние» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» (НПИ), г. Новочеркасск;

Кандидат технических наук, профессор, Нуждин Леонид Викторович, заведующий кафедрой «Инженерная геология, основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), г. Новосибирск.

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин

Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одна из главных задач современного строительства — поиск новых конструктивных решений зданий и сооружений, а также методов их проектирования для повышения технико-экономических показателей. Характерным примером таких конструктивных решений являются свайно-плитные фундаменты с применением буроинъекционных1 свай.

В отечественных нормативных документах кратко освещаются методы проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай. В частности, не в полной мере учитывается несущая способность буроинъекционных свай, часть основных параметров свайно-плитных фундаментов (диаметр, длина и шаг свай и другие) назначаются без учета особенностей их работы в песчаных и глинистых грунтах. Если усовершенствовать метод проектирования свайно-плитных фундаментов, то можно значительно снизить их материалоемкость, сократить сроки строительства, а также уменьшить неравномерные деформации зданий и сооружений.

Таким образом, возможность экономии материальных и трудовых ресурсов еще на стадии проектирования позволит считать тему диссертационной работы актуальной.

Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в совершенствовании метода проектирования свайно-плитных фундаментов с использованием буроинъекционных свай, обеспечивающего эффективность его применения на песчаных и глинистых грунтах Краснодарского края.

Задачи исследований:

1. Обобщить результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах и представить их в виде, удобном для сопоставления с данными теоретических исследований.

2. Выполнить теоретическое моделирование нагружения буроинъекционных свай, сопоставить полученные данные с результатами экспериментальных исследований и усовершенствовать метод оценки их несущей способности в песчаных и глинистых грунтах.

' Под буроинъекционными в данной работе понимаются сваи диаметром от 250 до 1400 мм, изготавливаемые по технологии CFA (Continuous flight auger).

Q,

3. Установить критерий оценки эффективности работы свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах в зависимости от количества, шага, диаметра и длины буроинъекционных свай.

4. Разработать программу для ЭВМ по выбору рациональных параметров свайно-плитных фундаментов и на основе численных экспериментов усовершенствовать метод их проектирования на песчаных и глинистых грунтах.

5. Осуществить внедрение результатов исследований при проектировании свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах, обеспечив экономию строительных материалов и сократив трудозатраты.

Научная новизна исследований:

1. Усовершенствован метод оценки несущей способности буро-инъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, отличающийся от известных тем, что в расчетах использованы коэффициенты, которые установлены на основании обобщения и статистической обработки полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой, сгруппированных по их геометрическим параметрам.

2. Предложен критерий для определения эффективности работы свайно-плитных фундаментов, который оценивается удельной несущей способностью материала свай и зависит от их диаметра, длины и шага.

3. Установлено, что путем расстановки буроинъекционных свай в плане свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах можно снизить абсолютные и относительные деформации фундаментов, не изменяя объема их материала и жесткости надземных строительных конструкций. Например, при изменении расстояния между сваями от 3 до 7 диаметров осадка фундамента уменьшается в 1,3-1,5 раза за счет более рационального распределения усилий между сваями и плитной частью фундамента.

Практическая значимость работы:

• Разработаны рекомендации прогнозирования несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, позволяющие на основании экспериментальных данных принимать решения по расчетным нагрузкам на сваи, не прибегая к проведению полевых статических испытаний.

• Усовершенствованный метод проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай позволяет объединить сваи в

группы по геометрическим параметрам, что дает экономию строительных материалов и снижает деформации грунтов основания.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твердого и деформируемого тела, математической статистики; применением сертифицированных программных комплексов; обеспечивается достаточным объемом исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных.

Результаты научных исследований внедрены:

- в предприятии ООО «ГЕОТЭК» при проектировании свайно-плитных фундаментов зданий на объектах:

• Многоквартирные жилые дома для размещения временного персонала, волонтеров и сил безопасности, привлекаемых на период проведения XXII Зимних Олимпийских игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 г. в г. Сочи;

• Восемнадцатиэтажный жилой комплекс из 4-х зданий по ул. Гастелло в Адлерском районе г. Сочи;

• Двадцатитрехэтажный гостиничный комплекс MARRIOTT в г. Краснодаре.

- в Кубанском государственном аграрном университете при выполнении дипломных проектов (работ) студентами инженерно-строительного факультета.

На защиту выносятся:

1. Результаты обобщения и статистической обработки полевых испытаний натурных буроинъекционных свай на вертикальную статическую вдавливающую нагрузку в песчаных и глинистых грунтах.

2. Усовершенствованный метод оценки несущей способности буроинъекционных свай, основанный на результатах экспериментальных исследований.

3. Метод проектирования и оценка эффективности свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах.

4. Программа для ЭВМ «CPRF-CFA» по определению параметров свайно-плитного фундамента (диаметр, длина и шаг свай) из буроинъекционных свай.

5. Результаты внедрения свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на территории Краснодарского края.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах IV—VI всероссийских научно-практических конференций «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2010-2012г.г.); на 2 - й межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научное творчество молодежи - шаг в будущее!» в направлении «Современные тенденции в архитектуре и строительстве» (Анапа, 2012г.); «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 2012г.); Всеукраинском международном научно-практическом семинаре «Современные проблемы геотехники», посвященном 50-летию геотехнической научной школы Полтавского национального технического университета имени Юрия Кондратюка (Полтава, 2012г.); на научных семинарах кафедры оснований и фундаментов КубГАУ (Краснодар, 2010-2013г.г.).

Личный вклад автора:

• систематизированы результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой в песчаных и глинистых грунтах;

• усовершенствован и апробирован метод расчета несущей способности буроинъекционных свай;

• установлены параметры свайно-плитных фундаментов, влияющие на эффективность их работы; усовершенствован метод проектирования свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах;

• создана программа «СРЯР-СРА» для определения параметров проектирования свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, а также одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. По теме диссертации поданы две заявки на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 135 наименований, 49

б

рисунков, 15 таблиц и 5 приложений. Объем диссертации составляет 149 страниц.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю -кандидату технических наук, доценту М. Б. Мариничеву; заведующему кафедрой оснований и фундаментов КубГАУ - доктору технических наук, профессору А. И. Полищуку за постоянную помощь при работе над диссертацией.

Автор благодарен сотрудникам кафедры оснований и фундаментов Кубанского ГАУ за доброжелательное отношение и поддержку выбранного направления исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены научная новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, личный вклад соискателя и сведения об апробации работы.

В первой главе представлен обзор современных экспериментальных и теоретических исследований работы свайно-плитных фундаментов. Рассмотрены существующие методы проектирования и опыт строительства зданий на свайно-плитных фундаментах с учетом их характерных особенностей. Описана буроинъекционная свая, изготовленная по технологии CFA, проанализированы основные ее достоинства и недостатки по сравнению с другими технологиями устройства свай.

Основными преимуществами рассматриваемой технологии CFA является возможность ее применения в широком диапазоне грунтов и при различных геометрических размерах свай (максимальный возможный диаметр - до 1,4 м). Изучением работы буровых свай занимались Аббас 3. Ф., Бахолдин Б. В., Бровин С. В., Григорян А. А., Далма-тов Б. И., Джантимиров X. А., Евтушенко С. И., Игонькин Н. Т., Ютей-нер И. М., Конюшков В. В., Лапшин Ф. К., Маковецкий О. А., Мангу-шев Р. А., Мариничев М. Б., Нуждин JI. В., Парамонов В. Н., Поли-щук А. И., Пономарев А. Б., Работников А. И., Скибин Г. М., Улиц-кий В. М., Шадунц К. Ш., Шашкин А. Г., Шулятьев О. В. и др. В рамках этих исследований установлено, что зачастую фактическая несущая способность буровых свай значительно превышает ее расчетные значения.

Для передачи на грунт больших нагрузок (с учетом конструктивных и других требований) сваи группируются в кусты или свайные поля. В работах отечественных специалистов (Бартоломей А. А., Бахол-дин Б. В., Бойко И. П., Безволев С. Г., Богомолов А. Н., Голубков В. Н., Готман А. Л., Готман Н. 3., Дельватовский Е. Э., Дорошкевич H. М, За-редкий В. В., Зехниев Ф. Ф., Знаменский В. В., Никифорова Н. С., Фадеев А. Б., Федоровский В. Г. и др.) установлено различие в поведении свай в зависимости от их расположения в плане, а также роль ростверка в передаче нагрузки на грунт основания.

Значительный вклад в развитие свайно-плитных фундаментов внесли Бойко И. П., Васильченко А. В., Голубков В. Н., Готман A. JL, Готман Н. 3., Дыба В. П., Мирсаяпов И.Т., Сальников Б. А., Horikoshi К., Katzenbach R. Poulos H. G., Randolph M. F., Russo G., Matsumoto T. и др. Несмотря на большой объем публикаций в области исследований работы свайно-плитных фундаментов в отечественной нормативной литературе остается еще много нерешенных вопросов по их проектированию. Существующие методы по назначению основных параметров свайно-плитных фундаментов преимущественно приближенные и не учитывают множество особенностей их работы, в том числе и с применением буроинъекционных свай.

В конце главы изложены примеры успешно реализованных проектов на свайно-плитных фундаментах в г. Франкфурт-на-Майне (Германия). В ходе их геотехнического мониторинга установлено процентное распределение нагрузки между плитой и сваями, а также рассмотрено множество других вопросов.

На основании выполненного литературного обзора сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе проведен анализ и статистическая обработка натурных испытаний буроинъекционных свай на статическую вдавливающую нагрузку. Полученные результаты сопоставлены с результатами аналитических и численных (методом конечных элементов) решений. В итоге были рассчитаны поправочные коэффициенты для определения несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, сгруппированных по группам.

На территории Краснодарского края буроинъекционные сваи, изготавливаемые по технологии CFA, применяются с 2001 г. За более чем десятилетний период накопилось большое количество эксперименталь-

ных данных работы буроинъекционных свай при действии статической вдавливающей нагрузки. В рассматриваемых грунтовых условиях получены высокие показатели несущей способности таких свай. Для сравнительного анализа фактической несущей способности отобраны испытания, выполненные предприятиями ООО «Гидротехническое строительство» (г. Краснодар) и ООО «Основа 23» (г. Сочи) в песчаных и глинистых грунтах (сваи диаметром от 250 до 630 мм, длиной - до 35 м). Материалы испытаний содержали все необходимые данные для проведения аналитических и численных расчетов.

Испытания натурных буроинъекционных свай проводились по специально разработанной методике с целью установления их фактической несущей способности. Схемы испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой соответствовала ГОСТ 5686-94. Для определения остаточных деформаций и упругого поведения свай в отдельных опытах проводили их промежуточную разгрузку.

В качестве критерия несущей способности буроинъекционной сваи принято ограничение по двум требованиям: нагрузка не должна превышать значения несущей способности сваи по грунту (спрогнозированная по СП 24.13330.2011); максимальное значение осадки сваи при испытаниях должно составлять 40 мм и более.

Прогнозирование осадки одиночных буроинъекционных свай от приложенной нагрузки выполнялось численными и аналитическими методами. В качестве аналитических выбрано два (существующих в отечественной нормативной литературе) метода:

• По первому методу осадка определялась по СП-50-102-2003 (п. 7.4.4);

• По второму методу осадка определялась по СП 24.13330.2011 (п. 7.4.2).

В работе для численного моделирования использовалась проверенная практикой модель теории пластичности с условием прочности Кулона - Мора. Граничные условия и размеры элементов были выбраны из проведенных в данной области исследований (Волик Д. В., Ещенко О. Ю., Чернявский Д. А. и др.). Численное моделирование выполнялось в плоской и пространственной постановках. Плоская задача решалась в программном комплексе Plaxis 2d, а пространственная - в Midas GTS (рисунок 1).

Рисунок 1 - Численное моделирование поведения буроинъекционной сваи в грунте под нагрузкой: а) - плоская задача в ПК Plaxis 2d; б) - пространственная

задача в ПК Midas GTS

В ходе сбора и обобщения результатов полевых испытаний буро-инъекционных свай, а также аналитического и численного моделирования их работы была создана база данных, приведенная в диссертации. С помощью базы данных можно анализировать работу буроинъекцион-ных свай под нагрузкой и совершенствовать метод прогнозирования их несущей способности.

База данных условно разделена на группы свай по характерным параметрам: 1 - по диаметру, 2 - по соотношению длины свай к диаметру (1/а'). Такая дифференциация выполнена в условиях существующих ограничений в нормативных документах (СНиП 2.02.03-85, СП-50-102-2003). Ограничения относились к максимально возможному диаметру буроинъекционных свай равному 250 мм и отношению l/d, которое не должно превышать в сейсмических районах 25. В первой группе свай, содержащейся в базе данных, выделяют также сваи малого диаметра (от 250 до 350 мм) и сваи большого диаметра (более 350 мм). По отношению длины свай к диаметру (l/d) в базе данных рассматриваются сваи с отношением l/d<25 так и сваи с l/d > 25.

Сравнительный анализ фактических значений несущей способности буроинъекционных свай {Fda) с расчетными данными {Fdc) проводился в виде диаграмм с учетом деления свай на группы по диаметрам (рисунок 2). Пунктирной линией обозначены диагонали диаграмм, которые соответствуют единичному отношению фактических (значения по вертикали) и расчетных значений (по горизонтали). Все точки на диаграммах (рисунок 2, а, б) находятся выше диагоналей, что подтверждает предположение о запасе несущей способности буроинъекционных свай.

Анализ сравнения фактических осадок одиночных свай с результатами расчета не дает четкой картины о достоверности численного или аналитического метода прогнозирования. Причиной этому служит прямая зависимость между точностью прогнозирования осадки с точностью определения физико-механических характеристик и назначения параметров расчетной модели (граничные условия, количество узлов, размер и геометрия элементов сетки и др.) при численном прогнозировании. Поэтому в исследованиях они были использованы только для оценки качественной картины работы буроинъекци-онной свай под действием вертикальной нагрузки.

1600

■400

• У

У ✓

/

* У

✓ / г

• ✓ г

✓ г'

У

fcf®»

3230

2Ю0

f

st У

У

У у

*

✓ W 9 У

У

г

✓

✓

1600

кЯ

800 1600 2Ю0 1200

4000 <ЙЮ

/\4, кН

Рисунок 2 - Диаграммы сравнения фактических и расчетных значений несущей способности: а) для свай диаметром 250 < d < 350; б) для свай диаметром d> 350

Усовершенствование метода расчета несущей способности буро-инъекционных свай заключалось в использовании поправочных коэффициентов, позволяющих прогнозировать их несущую способность в песчаных и глинистых грунтах. Поправочные коэффициенты выбирались исходя из диаметров свай. Для диаметров 250 < d < 350 мм поправочный коэффициент к расчету несущей способности был принят кп = 1,56, а при диаметре сваи свыше 350 мм к„ = 1,99. Данные значения получены на основании подготовленной базы данных полевых испытаний буроинъекционных свай. База данных может пополняться новыми значениями и в дальнейшем возможно ее совершенствование, выделением большего количества групп, как по геометрическим параметрам свай, так и по характеристикам грунтов основания.

Для практического применения предложенного метода определения несущей способности буроинъекционных свай необходим переход к оценке их работы в составе группы свай, что отражено в третьей главе.

В третьей главе исследованы деформации свайно-плитных фундаментов аналитическими и численными методами. Обоснован выбор применения наиболее эффективного диаметра свай в зависимости от стоимости погонного метра. Установлено влияние жесткости свайно-плитного фундамента на его деформируемость, а также на распределение усилий в сваях. Выявлено эффективное расстояние между сваями при конструировании свайно-плитного фундамента. На основании численных исследований выделены расчетные зоны на плане свайно-плитного фундамента по его деформируемости, а также предложен метод подбора рациональных параметров фундамента. В работе предложен критерий оценки эффективности свайно-плитных фундаментов, который рекомендуется использовать при проектировании.

Свайно-плитные фундаменты обладают целым рядом преимуществ перед другими типами фундаментами. Однако использование этих преимуществ во многом зависит от назначения основных параметров: диаметра свай, их длины и расстояния между ними, а также жесткости свайно-плитных фундаментов и надфундаментных конструкций. Изменяя основные параметры можно значительно повысить эффективность использования свайно-плитных фундаментов.

Для оценки эффективности свайно-плитных фундаментов предлагается использовать критерий, который определяется по формуле:

N

и(1)

св

где иг - удельная несущая способность одного кубического метра буроинъекционных свай, кН/м3;

Л^об - нормативная нагрузка, действующая на уровне обреза свай-но-плитного фундамента, кН;

Ксв - объем материала буроинъекционных свай, м .

Предложенный критерий (формула 1) позволяет оценить результат изменения основных параметров свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай. Он заключается в вычислении удельной несущей способности одного кубического метра (кН/м') материала свай. Чем больше его значение, тем свайно-плитный фундамент эффективней.

12

Для оценки жесткости свайно-плитных фундаментов использовался критерий М. И. Горбунова-Посадова (М. И. Горбунов-Посадов, 1984).

В работе проведен анализ влияния жесткости фундаментной конструкции на деформации грунтового основания при различных критериях по М. И. Горбунову-Посадову и различных вариантах фундаментов (квадратный, прямоугольный, плитный и свайно-плитный). Анализ влияния жесткости проводился на созданной расчетной модели фундамента в пространственной постановке в ПК Midas GTS. Для оценки ее работы проведен сопоставительный анализ результатов, полученных в программном комплексе, с решением М. И. Горбунова-Посадова, которое принято эталонным в рассматриваемой работе.

Из анализа результатов (рисунок 3) выявлено, что характер деформаций для всех рассматриваемых фундаментов (жесткий и гибкий; квадратный и прямоугольный; плитный и свайно-плитный) одинаковый в условиях равномерного напластования грунтов. Графики построены в следующих координатных осях: по горизонтальной оси за относительную единицу принято значение половины большей стороны фундамента в плане (с = / / 2); по вертикальной оси относительная осадка определялась как отношение осадок на рассматриваемом участке (s¡) к ее значению на краю фундамента (sK) и минус единица (sOTH , = s,/ sK - 1). Деформации фундаментов в центре всегда больше деформаций по их краям. С повышением жесткости фундаментной конструкции разница деформаций края и центра уменьшается.

Расстояние от крзя ас центра {с), отн.един. ^: Расстояние от края до центра (с), стн.един.

О 02 0.4 0.6 0.8 1 ' О 0.2 0.4 0.6 0S 1

1 - гибкий плитный фундамент; 2 - гибкий свайно-плитный; 3 - жесткий плитный; 4 — жесткий свайно-плитный

Рисунок 3 - Графики относительных деформаций фундаментов с различной их жесткостью: а) - квадратный в плане фундамент; б) - прямоугольный

При выборе геометрических параметров свайно-плитного фундамента важным этапом является выбор диаметра свай. При этом большой диаметр свай (от 450 мм и более) позволяет передавать значительные горизонтальные нагрузки на грунт, что важно для зданий и сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях и в районах с повышенной сейсмической активностью. Однако при больших диаметрах свай усложняется их размещение в плане. Повышенное расстояния между сваями (от 2 м и более) приводит к возникновению значительных изгибающих моментов в плитной части фундамента (ростверке), что увеличивает его армирование и поперечное сечение. Использование свай с меньшим диметром (менее 450 мм) уменьшает трудности в конструировании свайного поля.

При выборе количества свай для свайно-плитного фундамента необходимо учитывать стоимость работ по их изготовлению. Приняв стоимость изготовления 1-го пог. м буроинъекционной сваи диаметром 250 мм за единицу была получена относительная (кратная) стоимость изготовления погонного метра свай других диаметров, например для свай диаметром 300, 350, 400 мм и т.д. (рисунок 4).

В рассматриваемом диапазоне наиболее часто применяемых диаметров свай (от 250 до 1000 мм) можно выделить две зоны: 1 — зона малоэффективных диаметров (от 200 до 400 мм и свыше 800 мм); 2 -зона эффективных диаметров (от 400 до 800 мм).

Отечественными и зарубежными учеными установлено влияние расстояния между сваями на распределение нагрузки (усилий) между плитой и сваями свайно-плитного фундамента. Однако из результатов этих исследований не выявлено наиболее эффективное расстояние с позиции расхода материала свайно-плитного фундамента и мини-

400 800

Дизметр свай, мм

Рисунок 4 - График изменения стоимости изготовления свай: 1 - зона минимально эффективных диаметров, 2 - зона максимально эффективных диаметров

мальных его деформаций. Для установления эффективного расстояния между сваями были проведены серии численных экспериментов по оценки деформируемости свайно-плитных фундаментов, суть которых заключались в следующем:

1. При постоянной геометрической площади плиты фундамента 30 х 15 м изменялся шаг буроинъекционных свай диаметром 600 мм от 3 до 7 диаметров (при единичном приращении шага);

2. Для обеспечения требуемой несущей способности свайно-плитного фундамента изменялась длина буроинъекционных свай с сохранением их постоянного объема.

3. Грунт основания принимался в виде однородного глинистого массива с модулем деформации Е0 = 18 МПа, коэффициентом Пуассона V = 0,35, удельным сцеплением с = 18 кПа, углом внутреннего трения ф = 15 град., удельным весом у = 21 кН/м3. Плита фундамента представляла бетонную конструкцию толщиной 600 мм с модулем деформации Е = 30000 МПа и коэффициентом V = 0,2.

Из приведенных результатов (рисунок 5) было установлено, что наиболее эффективно работает свайно-плитный фундамент с расстоянием между осями свай 6-7 диаметров при использовании одного и того же материала буроинъекционных свай. Поэтому в дальнейшем, для поиска наиболее рациональной конструкции свайно-плитного фундамента, принималось это расстояние между сваями 6-7 диаметров.

Расстояние между сваями, диаметров 2 4 6 1

1 . 1 Исследуемая

область Ч

Осадка

Рисунок 5 - График зависимости осадки фундаментов от расстояния между сваями при постоянном объеме свай

В ходе анализа проведенных исследований был разработан подход к проектированию свайно-плитных фундаментов. Учитывая деформации фундаментной плиты (ростверка), выделим расчетные зоны размещения свай в плане (рисунок 6). Каждая зона ограничена своими габаритными размерами, которые вычисляются согласно размеру наименьшей стороны фундамента (рисунок 6).

Рисунок 6 - Расчетные зоны свайно-пдитного фундамента (план на отм. его обреза): а) - квадратный в плане фундамент; 6) - прямоугольный

Для первой зоны (площадь Ах = 0,2Ъ х 0,2Ь) характерны максимальные деформации относительно деформации края свайно-плитного фундамента; для второй зоны (площадь А2 = 0,5Ъ * 0,5Ь-8\) - средние деформации; для третьей (площадь А3 = Ь*Ь-82) - умеренные и четвертой (площадь А4 = Зо-^з) - минимальные деформации. Для квадратного в плане фундамента характерно наличие всего трех зон. В стандартном свайно-плитном фундаменте нагрузка распределяется по зонам в следующих пропорциях: первой зоне соответствует 10-15% от общей нагрузки, второй - 18-35%, третьей - 26-49%, четвертой - до 45 % (рисунок 7, а).

Рисунок 7 - Примеры метода проектирования свайно-плитных фундаментов:

а) - с использованием эффективных параметров (диаметр, шаг

свай);

б) — по усовершенствованному методу

Совершенствование метода проектирования свайно-плитных фундаментов заключалось в применении наиболее эффективных параметров (диаметр, шаг свай) и использовании фактической несущей

способности буроинъекционных свай различной длины с расчетным распределением их в плане. Последнее обеспечивает равномерную передачу нагрузки между зонами, например, в прямоугольном фундаменте по 25 % нагрузки в каждую зону. При таком распределении нагрузки в первой зоне располагаются самые длинные сваи, уменьшаясь к краю, а неравномерность осадок стремится к нулю, и снижается расход материала к минимуму. Оценить преимущества метода удобно предложенным критерием (17/) (рисунок 7, б).

Свайно-плитный фундамент, запроектированный по предлагаемому методу, оказывается эффективней (более 1,6 раза) по материалоемкости по сравнению со стандартным свайно-плитным вариантом фундамента.

Предлагаемый метод разработан для свайного фундамента, образующего в совокупности с плитой (ростверком) конструкцию свайно-плитного фундамента, в котором плита воспринимает соизмеримую со свайной частью долю нагрузки. Метод рассматривает различные формы свайно-плитного фундамента в плане (квадратную и прямоугольную). Однако при отклонении от рассматриваемых решений возможен пересмотр расчетных зон в сторону их расширения.

Последовательность проектирования по разработанному методу выполняется следующим образом.

1. Выполняется анализ грунтовых условий строительства и обосновывается необходимость применения в рассматриваемых условиях свайно-плитного фундамента.

2. Для анализа жесткости надфундаментных конструкций выполняется расчет осадки здания (сооружения) в пространственной постановке с фундаментом.

3. Фундаментная плита в плане разделяется на расчетные зоны по описанному выше методу. Общая нагрузка фундамент распределяется между зонами, например, для прямоугольного в плане фундамента — равномерное распределение между всеми зонами (по 25 %).

4. Подбирается диаметр сваи, который должен отвечать требованиям рациональности с учетом проведенных исследований и соответствовать условию, в котором в первой расчетной зоне размещаются не меньше 5-ти свай с осевым расстоянием 6-7 диаметров.

5. На основании распределения общей нагрузки по зонам, вычисляется требуемое количество свай и их длина.

6. Завершающим этапом является расчет в геотехнической программе (например - ПК Midas GTS) системы "свайное основание - изгибаемая плита - верхнее строение" в пространственной постановке. При неудовлетворительном результате следует изменить процентное соотношение нагрузки между расчетными зонами и расчет повторить.

В четвертой главе описана разработанная программа «CPRF-CFA» по определению параметров свайно-плитных фундаментов из бу-роинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах. Она позволяет оценить несущую способность буроинъекционных свай с учетом поправочных коэффициентов, вычисляемых на основании обработанных результатов экспериментальных и теоретических исследований. В программе выполняется размещение буроинъекционных свай в плане свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах, сгруппированных по длине и диаметру свай. Таким образом, основой программы служит усовершенствованный метод проектирования свай-но-плитных фундаментов с выделением расчетных зон по его деформируемости и с учетом размещения свай в плане, (требуемой длины и диаметра). Программа состоит из четырех основных модулей (модуль базы данных теоретических и фактических значений несущей способности, модуль ввода исходных данных, модуль расчета несущей способности и расчетный модуль определения основных параметров).

Программа «CPRF-CFA» прошла апробацию, официальную регистрацию и может использоваться в практике проектирования. В результате вычислений пользователь получает необходимые данные для проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах.

В пятой главе. Результаты проведенных исследований внедрены на ряде объектов Краснодарского края. В качестве примера рассмотрено три характерных объекта, возведенные в период с 2010 по 2013 годы. В рассматриваемых примерах была обоснована необходимость использования свайно-плитных фундаментов, так как фундаменты мелкого заложения не удовлетворяли требованиям расчета.

Объект № 1. «Многоквартирные жилые дома для размещения временного персонала, волонтеров и сил безопасности, привлекаемых на период проведения XXII Олимпийских зимних игр и XI Паралим-пийских зимних игр 2014 г. в г. Сочи». В рассматриваемых инженерно-геологических условиях было сложно выбрать рациональный тип свай. Использование забивных свай оказалось невозможным ввиду наличия

мощного слоя галечникового грунта на небольшой глубине. Наиболее подходящий тип свай - буровые. Однако отечественные нормативные документы вносили ограничения в отношения применяемых диаметров для буроинъекционных свай, а для сейсмических районов и параметра Ш < 25 (/, с/ — соответственно длина и диаметр сваи).

Для поиска эффективного типа фундамента были рассмотрены варианты его проектирования с учетом действующих строительных норм (СП 24.13330.2011), а также по индивидуальному подходу путем создания специальных технических условий.

Первый вариант свайно-плитного фундамента (рисунок 8, а) был выполнен по действующим строительным нормам и состоял из бурона-бивных свай с извлекаемой обсадной трубой диаметром 630 мм и длиной 15 м, общее количество свай для обеспечения требований предельных состояний составляло 171 шт.

171 свая (диной 15 м) 45 свай (длиной 16 м) ^ свай (длиной 8—30 м)

[//= 157,8 кН/м3 иг= 562,2 кН/м3 иГ= 686,1 кН/м3

Рисунок 8 - Рассматриваемые виды фундамента объекта № 1: а) свайный фундамент с применением буронабивных свай длиной 15 м; б) то же, но с применением буроинъекционных свай, рассчитанных по СНиП, длиной 24 м; в) конструкция, рассчитанная по усовершенствованному методу, длина свай - 8-30 м

Второй вариант свайно-плитного фундамента проектировался на основании созданных специальных технических условий. Он основывался на значениях фактической несущей способности буроинъекционных свай и на эффективном расстоянии между сваями. Свайно-плитный фундамент состоял из 45 буроинъекционных свай диаметром 630 мм и длиной 16 м.

Эффективным оказался третий вариант - свайно-плитный фундамент, запроектированный по разработанному методу. Конструкция фундамента состояла из 45 буроинъекционных свай диаметром 630 мм, расположенных в плане с различной длиной. Центральные сваи (1-я расчетная зона) длиной 30 м, а по краям (4-я зона) 8-метровые.

В итоге, если оценивать только материалоемкость, то фундаментная конструкция, запроектированная по разработанному методу, оказалась эффективней в 4,3 раза по сравнению с традиционными решениями. Эффективность была достигнута без снижения надежности и безопасности строительства.

Объект № 2. «Восемнадцатиэтажный жилой комплекс из 4 зданий по ул. Гастелло в Адлерском районе г. Сочи» (рисунок 9). Особая сложность данного объекта заключалась в залегании слабых слоев грунта на сравнительно большую глубину (до 30-40 м).

Для данного объекта также проведен поиск эффективного свайно-плитного фундамента. Было рассмотрено три наиболее характерных варианта (рисунок 10). Оказалось, что на устройство свайно-плитного фундамента, запроектированного по разработанному методу, требуется в 2 раза меньше объема материала свай по сравнению со Рисунок 9 - Фрагмент стандартным решением, грунтового основания в районе строительства объекта № 2

191 свая V/ = 276,ЗкН/м3

92 сваи и:= 565,4кН/м3

92 сваи иг= 592,6кН/м3

Рисунок 10 - Рассматриваемые виды фундамента объекта № 2:

а) свайно-плитный фундамент, запроектированный по СНиП; б) то же, но с применением буроинъекционных свай; в) конструкция, рассчитанная по усовершенствованному методу, длина свай - 32-18 м

Объект № 3. «Двадцатитрехэтажный гостиничный комплекс MARRIOTT в г. Краснодаре». На данном объекте, помимо наличия слабых грунтов, осложняющим фактором стало расположенное рядом десятиэтажное административное здание. Поэтому выбор в пользу буровых свайных технологий был очевиден. Свайно-плитный фундамент, запроектированный по действующим строительным нормам, состоял из 1578 буроинъекционных свай длиной 23 м и диаметром 400 мм {Uf— 157,8 кН/м3). В ходе проектирования по разработанному методу было снижено количество свай до 368 шт. с переменной длиной от 18 до 32 м (Uf= 716,3 кН/м3).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.В результате обобщения полевых испытаний натурных буро-инъекционных свай (диаметром от 250 до 720 мм и длиной до 35 м) собрана база данных, позволяющая анализировать и сопоставлять фактические данные с расчетными. Для этого проведено их условное разделение по диаметрам свай: Первая группа - сваи малого диаметра (250-350 мм) и вторая - сваи большого диаметра (свыше 350 мм).

2.Для выполненных полевых испытаний проведено численное моделирование работы буроинъекционных свай в программных комплексах Plaxis 2d и Midas GTS, аналитические расчеты их несущей способности и осадки от действия вертикальной нагрузки. В ходе статистической обработки экспериментальных и теоретических данных и сопоставительного анализа установлены поправочные коэффициенты, рекомендованные для прогнозирования несущей способности буроинъекционных свай, которые характерны для выделенных групп в зависимости от диаметра свай.

3.На основании использования программного комплекса Midas GTS и упругопластической модели грунта Кулона - Мора, установлено наиболее эффективное расстояние между сваями в свайно-плитном фундаменте на песчаных и глинистых грунтах. Эти данные базируются на расчетах абсолютных и неравномерных деформаций. При проектировании свайно-плитных фундаментов предлагается выделять расчетные зоны в плане фундаментов для выбора их основных геометрических параметров. Это позволяет значительно снизить матери-

алоемкость фундаментов при обеспечении требований расчета оснований по предельным состояниям.

4. Предложен количественный критерий оценки эффективности работы свайно-плитного фундамента в песчаных и глинистых грунтах, позволяющий выявить удельную несущую способность буроинъ-екционных свай для разных его конструктивных решений.

5. Усовершенствован метод проектирования свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах, основанный на прогнозировании несущей способности буроинъекционных свай и выделении расчетных зон в плане фундамента для их размещения Этот метод позволяет подобрать такие значения параметров свайно-плнтных фундаментов, при которых достигается максимальная эффективность их работы (максимальная удельная несущая способность).

6. Разработана индивидуальная программа для ЭВМ «СРИР-СРА», с помощью которой выбираются параметры свайно-плитных фундаментов, устраиваемых из буроинъекционных свай по предлагаемому методу проектирования. Программа позволяет значительно сократить сроки проектирования по предлагаемому методу.

7. Результаты исследований внедрены в практику строительства на ряде объектов Краснодарского края, где реализованы свайно-плитные фундаменты с использованием буроинъекционных свай. В итоге применения предлагаемого метода проектирования получено значительное снижение затрат на устройство свайно-плитных фундаментов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Мариничев, М. Б. Реализация нестандартных конструктивных решений в высотном строительстве на основе использования современных буровых технологий [Электронный ресурс] / М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. — 2010. — № 54 (10). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2009/10/pdf/07.pdf.

2. Мариничев, M. Б. Геотехнические задачи при рекультивации полигонов твердых бытовых отходов / М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка // Основания, фундаменты и механика грунтов. -

2012.-№5.-С. 19-21.

3. Мариничев, М. Б. Эффективные фундаментные конструкции в сложных грунтовых условиях / М. Б. Мариничев, К. Ш. Шадунц, А. Ю. Маршалка // Промышленное и гражданское строительство. -

2013.-№2.-С. 34-36.

Публикации в других изданиях, материалах конференций:

4. Мариничев, М. Б. Возможности регулирования и перераспределения усилий в элементах свайно-плитных фундаментов высотных зданий / М. Б. Мариничев, К. Ш. Шадунц, А. Ю. Маршалка // Геотехнические проблемы мегаполисов : тр. Междунар. конф. по геотехнике. -М., 2010.-С. 1281-1286.

5. Мариничев, М. Б. Методы регулирования жесткости свайно-плитных фундаментов высотных зданий / М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка // Научное обеспечение агропромышленного комплекса : материалы IV Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых / Куб. гос. аграрн. ун-т. - Краснодар, 2010. - С. 460-461.

6. Мариничев, М. Б. Применения свайно-плитных фундаментов в плотной городской застройке / М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка // Наука Кубани. - 2011. - № 2. - С. 45-48.

7. Маршалка, А. Ю. Использование полной несущей способности свай CFA / А. Ю. Маршалка, В. А. Калугин // Научное творчество молодежи - шаг в будущее : материалы II Межрегион, науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Анапа, 2012. - С. 7678.

8. Мариничев, М. Б. Компенсация неравномерной деформируемости оснований фундаментов, выполненных с применением забивных свай / М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка, Р. О. Выходцев // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении : материалы Всерос. науч.-техн. конф. / Южно-рос. гос. техн. ун-т (Новочеркасск, политехи, ин-т). -Новочеркасск, 2012.-С. 148-155.

9. Мариничев, M. Б. Сравнение фактической и расчетной несущей способности сваи CFA / M. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка // Наука Кубани.-2012,-№2.-С. 41-45. '

10. Мариничев, М. Б. Расчетное и практическое обоснование необходимости уточнения методов проектирования свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай больших диаметров (CFA) на дисперсных грунтах / М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка // Инженерные подходы к решению геотехнических задач. - Краснодар, 2013.-С. 115-125.

Свидетельства об офицпальпой регистрации программы для ЭВМ:

11. Свид. РФ № 2013617142. CPRF-CFA / А. Ю. Маршалка, М. Б. Мариничев ; заявитель и правообладатель КубГАУ. — №2013614820 ; заявл. 10.06.2013 ; опубл. 02.08.2013. - 1 с.

МАРШАЛКА АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ (НА ПРИМЕРЕ ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ)

Специальность 05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 31 10. 2013 г. Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная Офсетная печать

Печ. л. 1 Заказ № 732 Тираж 120 экз.

Отпечатано в типографии Кубанском ГАУ 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ (НА ПРИМЕРЕ ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ)

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Мариничев Максим Борисович

Краснодар 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

1 ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ

ФУНДАМЕНТОВ....................................................................................................12

1.1 Особенности технологии устройства буроинъекционных свай............12

1.2 Оценка взаимодействия свай с грунтом при различном их расположении (одиночном, кустовом и в виде свайного поля).............16

1.3 Существующие методы расчета и конструирования свайно-плитных фундаментов................................................................................22

1.4 Опыт строительства свайно-плитных фундаментов...............................29

1.5 Основные задачи исследований................................................................32

2 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ НАТУРНЫХ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ В ПЕСЧАНЫХ, ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ И СОВЕРШЕНСТОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ИХ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ...................................................33

2.1 Выбор критерия оценки несущей способности натурных свай.............33

2.2 Инженерно-геологические условия площадок строительства, использованных при устройстве буроинъекционных свай....................37

2.3 Методика проведения полевых испытаний натурных буроинъекционных свай на статическую вдавливающую

нагрузку.......................................................................................................43

2.4 Результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай в песчаных, глинистых грунтах и оценка их несущей способности.................................................................................................45

2.4.1 Выборка результатов и условное разделение их на группы............45

2.4.2 Статистическая обработка результатов испытаний и их анализ.....................................................................................................47

2.5 Численное моделирование работы буроинъекционных свай для оценки их несущей способности...............................................................53

2.5.1 Обоснование выбора программного комплекса и параметров расчетной модели..................................................................................53

2.5.2 Результаты численного моделирования поведения одиночных буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах................................................................................56

2.6 Совершенствование метода оценки несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах...................59

2.7 Выводы по главе 2......................................................................................60

3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ.....................................................................................61

3.1 Конструктивные, геометрические параметры свайно-плитных фундаментов и их использование при проектировании.........................61

3.2 Влияние жесткости фундаментной плиты на деформации

грунтов основания......................................................................................62

3.3 Оценка перемещений буроинъекционных свай при различной жесткости надземных строительных конструкций.................................65

3.4 Выбор геометрических параметров при размещении буроинъекционных свай в составе свайно-плитных фундаментов.......72

3.4.1 Выбор диаметра буроинъекционных свай.........................................72

3.4.2 Выбор расстояния между буроинъекционными сваями и оценка его влияния на работу свайно-плитных фундаментов.........74

3.5 Критерий оценки эффективности работы свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах.....................................76

3.6 Совершенствование метода расчета и конструирования свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах.....................77

3.6.1 Численные эксперименты в программном комплексе Midas GTS для обоснования подхода к размещению буроинъекционных свай в плане в составе свайно-плитного фундамента............................................................................................77

3.6.2 Последовательность проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай для зданий и сооружений............................................................................................85

3.7 Выводы по главе 3......................................................................................87

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ «CPRF-CFA» ДЛЯ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ И ИХ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ............................................89

4.1 Общие сведения о разработанной программе..........................................89

4.2 Элементы управления программы, параметры ввода исходных данных .......................................................................................................90

4.2.1 Определение поправочных коэффициентов для прогнозирования несущей способности буроинъекционных

свай .......................................................................................................90

4.2.2 Модуль ввода исходных данных и расчета несущей способности свай..................................................................................91

4.2.3 Модуль расчета параметров свайно-плитных фундаментов............95

4.3 Пример определения параметров свайно-плитного фундамента

из буроинъекционных свай........................................................................96

4.4 Выводы по главе 4......................................................................................98

5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ..............................................................................................................99

5.1 Внедрение результатов исследований при проектировании свайно-плитных фундаментов на реальных объектах Краснодарского края..................................................................................99

5.1.1 Выбор фундаментной конструкции здания при сложном напластовании грунтов основания....................................................100

5.1.2 Назначение требуемой несущей способности свай в составе свайно-плитных фундаментов за счет обеспечения их сопротивления по боковой поверхности.........................................111

5.1.3 Разработка конструктивного решения свайно-плитного фундамента здания при строительстве в стесненных городских условиях............................................................................118

5.2 Направления дальнейшего развития исследований..............................126

5.3 Выводы по главе 5....................................................................................127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ А.....................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.....................................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ В.....................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.....................................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.....................................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современном строительстве применение свайно-плитных фундаментов является одним из наиболее рациональных решений для зданий и сооружений, передающих значительные нагрузки на основание. С помощью таких конструкций фундаментов можно передавать значительные нагрузки на грунтовые основания при обеспечении допустимых неравномерных деформаций с минимальным расходом строительных материалов.

Широкое распространение свайно-плитные фундаменты получили за способность плиты распределять неравномерные деформации при большой несущей способности свайного фундамента. Благодаря этому появилась возможность осваивать территории со сложными инженерно-геологическими условиями. Однако в действующих нормативных документах практически нет рекомендаций к их проектированию, и остается много вопросов к определению основных параметров свайно-плитных фундаментов (диаметр, длина и шаг свай), значительно влияющих на работу конструкции в целом. Особо важным вопросом является распределение свай в плане с различными геометрическими параметрами в силу неравномерности загрузки. Варьируя основными параметрами свай в плане, можно свести неравномерные деформации к минимуму.

Для выбора наиболее рационального конструктивного решения свайно-плитного фундамента необходимо моделировать напряженно-деформированное состояние системы «основание - фундаменты - надземные конструкции» с различным положением свай в плане, переменной их длиной с учетом изменчивости параметров грунтового основания и постепенного роста жесткости и веса здания в процессе его возведения. Технология изготовления свай дополнительно определяет необходимость учета факторов, влияющих на взаимодействие свайно-плитного фундамента с грунтовым массивом.

В последние годы индустрия свайных фундаментов претерпевает большие изменения. Одно из современных направлений развития — использование усовер-

шенствованных буровых технологий для устройства свай. Ярким примером является технология CFA (Continuous flight auger), которая используется для устройства буроинъекционных свай полым шнеком. Данная технология имеет множество преимуществ перед другими. Как показала практика (данные натурных наблюдений), несущая способность, рассчитанная по существующей методике, значительно отличается от фактически установленных значений, а с учетом неравномерности нагружения свайно-плитного фундамента приводит к чрезмерному расходу материала, увеличению сроков строительства, в отдельных случаях — к неравномерным осадкам.

Проектирование свайно-плитных фундаментов при помощи буроинъекционных свай с учетом их фактической несущей способности, а также характерных возможностей увеличения воспринимаемой нагрузки свайно-плитной конструкцией, в зависимости от расстановки свай в плане различной длины и диаметра позволит снизить материалоемкость, сократить сроки строительства фундаментной конструкции, а также уменьшить неравномерные деформации фундамента. Возможность экономии материальных и трудовых ресурсов уже на стадии проектирования позволяет считать тему диссертационного исследования актуальной.

Целью диссертационной работы является совершенствование метода проектирования свайно-плитных фундаментов с использованием буроинъекционных свай, обеспечивающего эффективность его применения на песчаных и глинистых грунтах Краснодарского края.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи исследования:

1. Обобщить результаты полевых испытаний натурных буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах и представить их в виде, удобном для сопоставления с данными теоретических исследований.

2. Выполнить теоретическое моделирование нагружения буроинъекционных свай, сопоставить полученные данные с результатами экспериментальных исследований и усовершенствовать метод оценки их несущей способности в песчаных и глинистых грунтах.

3. Установить критерий оценки эффективности работы свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах в зависимости от количества, шага, диаметра и длины буроинъекционных свай.

4. Разработать программу для ЭВМ по выбору рациональных параметров свайно-плитных фундаментов и на основе численных экспериментов усовершенствовать метод их проектирования на песчаных и глинистых грунтах.

5. Осуществить внедрение результатов исследований при проектировании свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах, обеспечив экономию строительных материалов и сократив трудозатраты.

Научная новизна данной работы заключается в том, что:

1. Усовершенствован метод оценки несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, отличающийся от известных тем, что в расчетах использованы коэффициенты, которые установлены на основании обобщения и статистической обработки полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой, условно сгруппированных по их геометрическим параметрам.

2. Предложен критерий для определения эффективности работы свайно-плитных фундаментов, который оценивается удельной несущей способностью материала свай и зависит от их диаметра, длины и шага.

3. Установлено, что путем расстановки буроинъекционных свай в плане свайно-плитных фундаментов на песчаных и глинистых грунтах можно снизить абсолютные и относительные деформации фундаментов, не изменяя объема их материала и жесткости надземных строительных конструкций. Например, при изменении расстояния между сваями от 3 до 7 диаметров осадка фундамента уменьшается в 1,3-1,5 раза за счет более рационального распределения усилий между сваями и плитной частью фундамента.

Практическая значимость работы сводится к следующему:

• Разработаны рекомендации прогнозирования несущей способности буроинъекционных свай в песчаных и глинистых грунтах, позволяющие на основании экспериментальных данных оперативно оценивать допускаемые нагрузки на сваи, не прибегая к проведению полевых статических испытаний.

• Усовершенствованный метод проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай позволяет объединить сваи в группы по геометрическим параметрам, что дает экономию строительных материалов и снижает деформации грунтов основания.

Реализация результатов исследования

Полученные результаты диссертационной работы по совершенствованию проектирования свайно-плитных фундаментов из буроинъекционных свай были использованы проектной организацией ООО «ГЕОТЭК» (г. Краснодар) при проектировании следующих объектов:

1. Многоквартирные жилые дома для размещения временного персонала, волонтеров и сил безопасности, привлекаемых на период проведения XXII зимних Олимпийских игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 г. в г. Сочи;

2. Восемнадцатиэтажный жилой комплекс из 4 зданий по ул. Гастелло в Адлерском районе г. Сочи;

3. Двадцатитрехэтажный гостиничный комплекс MARRIOTT в г. Краснодаре.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Кубанского государственного аграрного университета при выполнении дипломного проектирования студентами инженерно-строительного факультета, они являются также наглядным учебным пособием по реализации теоретических исследований в реальные строительные объекты.

Разработанные рекомендации по прогнозированию несущей способности буроинъекционных свай могут быть использованы при расчете и конструировании зданий (сооружений), а также в учебных и научно-исследовательских работах, выполняемых в проектных и научно-исследовательских организациях.

На защиту выносятся:

1. Результаты обобщения и статистической обработки полевых испытаний натурных буроинъекционных свай на вертикальную статическую вдавливающую нагрузку в песчаных и глинистых грунтах.

2. Усовершенствованный метод оценки несущей способности буроинъекционных свай, основанный на результатах экспериментальных исследований.

3. Метод проектирования и оценка эффективности свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на песчаных и глинистых грунтах.

4. Программа для ЭВМ «СРЫБ-СРА» по определению параметров свай-но-плитного фундамента (диаметр, длина и шаг свай) из буроинъекционных свай.

5. Результаты внедрения свайно-плитных фундаментов с применением буроинъекционных свай на территории Краснодарского края.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах 1У-У1 всероссийских научно-практических конференций «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2010-2012г.г.); на 2 - й межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научное творчество молодежи — шаг в будущее!» в направлении «Современные тенденции в архитектуре и строительстве» (Анапа, 2012г.); «Механика грунтов в геотехнике и фундаменто-строении» (Новочеркасск, 2012г.); Всеукраинском международном научно-практическом семинаре «Современные проблемы геотехники», посвященном 50-летию геотехнической научной школы Полтавского национального технического университета имени Юрия Кондратюка (Полтава, 2012г.); на научных семинарах кафедры оснований и фундаментов КубГАУ (Краснодар, 2010-2013г.г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, а также одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. По теме диссертации поданы две заявки на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 135 наименований, 52 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений. Объем диссертации составляет 149 страницы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и задачи исследования, введены граничные условия, в рамках которых был исследован данный вопрос.

В первой главе представлен обзо�