автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Теоретические основы устройства свайных фундаментов на неоднородном грунтовом основании

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ ЗАБИВНЫХ СВАЙ С УЧЕТОМ ФАКТОРА НЕОДНОРОДНОСТИ. ц

1.1. Источники неопределенности при проектировании свайных фундаментов. 43.

1.2. Методы устройства экономичных фундаментов из забивных свай и постановка задач исследований. №

1.3. Методы учета неоднородности грунтов.

1.4. Задача о контроле несущей способности свай в процессе погружения.3 о

1.5. Задача о защите свай от повреждений при забивке в грунт.

1.6. Выводы. Задачи исследований.

2. ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ.МЪ

2.1. Структура вероятностной модели.45"

2.2. Погружение свай как вероятностный процесс.

2.3. Классификация грунтовых условий по типам неоднородности.

2.4. Определение границ несущего слоя.

2.5. Определение параметра закона распределения вероятностей по данным статического зондирования грунтов.

2.6. Сводка формул А-распределения вероятностей в естественных координатах.&

2.7. Выводы.

3. ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ. ^

3.1. Цель и задачи вероятностных расчетов в проектировании свайных фундаментов.Sfl

3.2. Вероятностный расчет распределения свай в неоднородной грунтовой среде.

3.3. Несущая способность свайного фундамента как функция глубины погружения.L

Свайные фундаменты являются одним из самых сложных объектов в фундаментостроении. В то же время, они считаются наиболее надежными. Чем сложнее грунтовые условия, тем предпочтительнее применение свай. В настоящее время накоплен огромный объем научных данных о взаимодействии с грунтом свай различных конструкций. Разработаны надежные методы определения несущей способности свай и осадок свайных фундаментов. Однако, один недостаток буквально бросается в глаза всем участникам строительства свайных фундаментов — это недопогружение свай до проектной отметки и их срубка. Этот вопрос постоянно обсуждается на совещаниях и конференциях специалистов, но до сих пор не нашел удовлетворительного решения. Всем понятно, что недопогружение свай связано с неоднородностью грунтового основания. Методы инженерных изысканий не дают достаточной информации для устранения этого явления на стадии проектирования.

Но недопогружение свай лишь видимая часть "айсберга". При выборе глубины погружения свай проектировщик действует в условиях почти полной неопределенности. Произвести исследования грунта для каждой сваи невозможно, но по существующим правилам он обязан указать в проекте точную глубину погружения каждой сваи без исключения. В столь неопределенной ситуации проектировщик всегда вынужден увеличивать глубину заложения нижних концов свай про запас, так как он и только он несет ответственность за надежность фундамента. Это порождает излишки несущей способности и перерасход свай. По оценке проф. Б.И. Далматова, каждая третья свая в фундаментах является лишней. Системный характер этого негативного явления свидетельствует об актуальности проблемы и необходимости ее решения.

Анализируя эту проблему и обсуждая ее с коллегами, автор пришел к выводу, что для ее решения недостаточно улучшения отдельных этапов создания свайных фундаментов. Необходимо изменить структуру всего проектно-строительного процесса от проведения изысканий до приемки фундамента. В основу этого процесса следует положить учет неоднородности грунтов и полноты информации о его строении. В данной работе создание свайного фундамента рассматривается как поэтапный процесс накопления информации: на этапе инженерных изысканий — это получение ограниченного объема информации о строении и свойствах грунтового основания; на этапе проектирования — это определение пределов изменения и вероятностей глубины погружения свай, а также их несущей способности; на этапе погружения свай — проверка сделанных предположений и установление действительных значений несущей способности свай. При этом, погружение свай рассматривается как испытание ее несущей способности и установление фактической глубины погружения. Опираясь на эту общую идею, автор сформулировал цель своих исследований следующим образом:

Разработать теоретические основы устройства свайных фундаментов с учетом неоднородности грунтового основания, включая все стадии: инженерных изысканий, проектирования и производства свайных работ.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить четыре задачи, а именно:

1. Разработать вероятностную модель неоднородного грунтового основания и процесса погружения в него свай.

2. Разработать методы расчета глубины погружения, объемов свайных работ и несущей способности фундамента на основе вероятностной модели грунтового основания.

3. Разработать методы оперативного контроля сопротивления свай на стройплощадке при погружении их дизель-молотом.

4. Разработать методы защиты свай от повреждений при забивке.

Методы исследований включают: теоретический анализ, построение математических моделей, имитационное моделирование на ЭВМ, экспериментальные исследования в натурных условиях.

Достоверность получаемых результатов устанавливалась путем сравнения теоретических результатов с данными экспериментов.

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты.

1. Вероятностная модель неоднородного грунтового основания и процесса погружения в него свай.

2. Анализ функций распределения вероятностей глубины погружения свай и выбор наиболее адекватного действительности и удобного для практических расчетов А-распределения.

3. Классификация грунтовых оснований по типам и степени неоднородности.

4. Методы определения вероятностных характеристик грунтового основания по результатам инженерных изысканий.

5. Математическая имитационная модель системы дизель-молот-свая-грунт и ее физический аналог - стенд для исследования динамики погружения свай в грунт.

6. Результаты исследования динамики погружения свай дизель-молотом и выявленные при этом закономерности преобразования энергии удара молота и давления газов в рабочем цилиндре в работу по погружению сваи.

7. Анализ напряженно-деформированного состояния сваи при забивке и принципы регулирования напряжений при ударных нагрузках.

8. Экспериментально установлен факт динамического противодействия массивных колодок, обжимающих оголовок сваи, отслоению наружных слоев бетона при ударе за счет инерции покоя колодок.

Для практического использования в свайном фундаментостроении рекомендуются следующие результаты:

1 .Вероятностные принципы проектирования и строительства свайных фундаментов.

2. Методика определения вероятностных характеристик неоднородности грунтового основания для проектирования свайных фундаментов.

3.Методы расчета свайных фундаментов с учетом стохастической природы неоднородности основания: объемов свайных работ; объемов недопогружения и срезки свай; несущей способности свайного фундамента при различной глубине заложения нижних концов свай.

4.Методика контроля несущей способности свай по высоте подъема молота при забивке дизель-молотом.

5.Методика подбора толщины (жесткости) упругой прокладки в наголовнике дизель-молота.

6.Конструкция наголовника II динамического типа с повышенным коэффициентом полезного действия преобразования энергии удара в работу по погружению сваи и предохраняющий ее от повреждений при забивке.

Перечисленные частные результаты позволяют в сумме изменить проектно-строительный процесс устройства свайных фундаментов. Основной принцип состоит в том, что окончательные действительные значения несущей способности каждой сваи устанавливают на стройплощадке. В проекте указывают только диапазон изменения этих величин и распределение вероятностей их значений. В этом суть вероятностного подхода к устройству свайных фундаментов.

Вероятностный подход является естественным и необходимым для проектирования фундаментов, устраиваемых по безотходным технологиям. Без него полная реализация их преимуществ невозможна. В то же время, учет неоднородности может оказаться полезным при условии надежного контроля сопротивления свай при забивке и обеспечения их погружения до требуемой глубины без повреждений. Поэтому, в данной работе рассмотрен весь комплекс этих вопросов.

Апробация результатов данной работы происходила в процессе дискуссий на 12 региональных Дальневосточных конференциях и совещаниях, 6 Всесоюзных и 3 Международных. Для обсуждения вопросов, поднятых в данной работе, в период с 1989 - 1992гг. были специально организованы и проведены три Всесоюзные совещания-семинара по Механизированной безотходной технологии возведения фундаментов из свай заводской готовности в г.Владивостоке.

Основные результаты исследований использованы в работах других авторов, в частности: д.т.н. П.А. Аббасовым в монографии и докторской диссертации, к.т.н. A.A. Ковалевским, A.C. Петрашенем и Е. Жабыко в кандидатских диссертациях.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 30 печатных работах и 31 изобретении, на которые получены авторские свидетельства и патенты.

Внедрение. Основные положения, изложенные в данной работе, использовались автором и его коллегами по работе в институте ДальНИИС при оказании научно-технической помощи при строительстве свайных фундаментов строительным и проектным организациям Приморского края. Примерами являются объекты Северного промышленного узла в г.Находка: заводы ЖБИ-50, мясокомбинат, жилые дома. Другой пример — строительство фундаментов завода строительных материалов и деталей (СМ и Д) в пос.Угловой. Наиболее полное внедрение получаемых результатов осуществлялось при строительстве фундаментов из составных модульных свай по механизированной безотходной технологии в гг.Владивосток и Находка. При проектировании этих фундаментов применялось два подхода традиционный и вероятностный. Контроль несущей способности свай осуществляли методом, изложенным в 4 главе. При забивке свай использовали наголовники II динамического типа различных конструкций. Разработаны комплекты конструкторской документации на все необходимые механизмы и оборудование. Опытные образцы изготовлены и применены при производстве свайных работ. Следует отметить, что наиболее активную поддержку в этих работах мы находим в строительных организациях, начиная от руководителей и кончая рабочими, производящими свайные работы. Именно благодаря им удалось на практике апробировать и сравнить различные идеи и технические решения, что дает уверенность в правильности выбранного направления исследований и в его практической ценности.

Экономическая эффективность.

В практической работе автора совместно с коллегами при проектировании и строительстве фундаментов, на основе внимательного анализа геологических условий и испытания свай практически всегда удавалось снизить объемы свайных работ по сравнению с проектом от 15 до 50 %.

Если исключить явные ошибки проектировщиков, то этот эффект был получен именно за счет учета неоднородности грунтов. В среднем, избыточный объем свайных работ, по нашим оценкам составляет, примерно, 30 % от проектного. Использование результатов данной работы позволит исключить этот избыточный объем работ не от случая к случаю, а системно. Но наибольший эффект может быть а. получен при практическом осуществлении безотходных технологий свайных работ.

В конце диссертации приведен список литературы, повлиявшей на подход автора к решению тех или иных задач. Чтобы не загромождать текст, ссылки даются не на все работы, а только на те из них, которые наиболее близки по смыслу, либо на те, которые послужили источником экспериментальных данных, использованных в работе.

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния свайного фундаментостроения показал, что отсутствие научно-обоснованных методов учета неоднородности грунтов не позволяет использовать в полной мере эффективные методы проектирования и строительства фундаментов, основанные на глубоких исследованиях закономерностей взаимодействия свай с грунтом и методов определения их несущей способности. Стохастическая природа неоднородности вынуждает проектировщика закладывать избыточные запасы прочности и объемы свайных работ, обесценивая тем самым научные достижения в данной области. Полноценное использование этих достижений в практике возможно только в том случае, если будут разработаны методы учета неоднородности грунтов и их влияния на глубину погружения и несущую способность свай и свайного фундамента в целом.

2. Неоднородность — объективное свойство грунтовой среды, присущее ей по самой природе. Она характеризуется как закономерным так и случайным распределением физико-механических свойств в пространстве. Однако, выявить закономерности возможно только в общих чертах. Поэтому, наиболее адекватным является представление грунтового основания как стохастической среды как по природе, так и по неполноте информации о закономерностях ее строения.

3. Разработана вероятностная модель грунтового основания по отношению к погружению свай. Модель достаточно наглядна и позволяет численно охарактеризовать неоднородность грунта с помощью следующих понятий: а) несущий слой, содержащий препятствия; б) границы несущего слоя (кровля и подошва); в) препятствие, как точка в грунте, в которой свая достигает требуемой несущей способности; г) интенсивность распределения препятствий в несущем слое.

4. На основании вероятностной модели выведено дифференциальное уравнение для вероятностей встречи или не встречи свай с препятствиями. Решение этого уравнения при различных законах интенсивности распределения препятствий порождает различные функции распределения вероятностей встречи свай с препятствиями, то есть глубины погружения свай.

5. Исследованы различные законы распределения вероятностей и установлено, что наиболее употребительным, и адекватно отражающим реальный процесс погружения свай является А-распределение.

6. На основании анализа распределения вероятностей предложена наглядная классификация форм неоднородности грунтов, включающая три основных типа неоднородности.

7. Проанализировано влияние неоднородности на объемы свайных работ и срубки выступающих частей свай. На основании анализа предложен параметр степени неоднородности грунтового основания, позволяющий численно оценить ее.

8. Показано, что от величины параметра степени неоднородности зависит объем инженерных изысканий. Минимальный объем изысканий включает определение диапазона изменения глубин заложения нижних концов свай, иными словами — границ несущего слоя. Предложен метод определения параметра А-распределения вероятностей на основании данных инженерных изысканий в грунтах с шобой степенью неоднородности.

9. На основании вероятностной модели грунтового основания разработаны методы расчета фундаментов с учетом его неоднородности: а) расчет объемов свайных работ при случайной глубине погружения свай до одинаковой несущей способности; б) расчет объемов срезки свай; в) расчет распределения в грунте секций составных модульных свай, погружаемых по механизированной безотходной технологии; г) расчет несущей способности фундаментов при погружении свай на одинаковую глубину; д) формулы для определения функции плотности вероятностей сопротивления свай по грунту при забивке на одинаковую глубину, а также среднего значения и дисперсии.

Эти результаты являются практическим приложением вероятностной модели к расчету и проектированию свайных фундаментов различных типов с учетом неоднородности грунтового основания.

10. Сформулированы принципы вероятностного подхода к проектно-строительному процессу создания свайных фундаментов при погружении свай до равной несущей способности и случайной глубине погружения. В соответствии с этими принципами проектировщик указывает только диапазон изменения глубины погружения свай и распределение вероятностей. Действительное значение глубины погружения устанавливают в процессе погружения сваи путем оперативного контроля ее несущей способности.

11. Для практической реализации вероятностного подхода проведены исследования, нацеленные на создание оперативного метода контроля несущей способности свай в процессе забивки дизель-молотом без его остановки. Для этого изучена динамика движения системы "дизель-молот-свая-грунт" (ДМСГ) с использованием математической имитационной модели, реализованной на ЭВМ, и ее физического аналога-стенда для исследования погружения свай в натуральную величину. Конструкция стенда позволяет имитировать упругогшастическое сопротивление грунта при забивке сваи. Полученные результаты позволили установить следующие закономерности: а) работа деформации грунта при ударе дизель-молота складывается из работы механического удара молота и работы газом, сжатых в рабочем цилиндре; б) суммарная энергия удара дизель-молота практически не зависит от высоты подъема-падения молота, но пропорциональна энергии, выделяемой топливом при сгорании; в) способ крепления наголовника определяет механическую структуру системы ДМСГ и оказывает существенное влияние на эффективность преобразования энергии удара в работу по погружению сваи; г) ударный импульс состоит из серии ударов наголовника о сваю; д) режим работы дизель-молота оказывает решающее влияние на его погружающую способность. Наибольший КПД преобразования энергии удара в работу по погружению сваи имеет дизель-молот, работающий с подачей топлива в рабочий цилиндр.

12. На основании установленных закономерностей разработаны следующие практические методики: а) методика определения энергии удара дизель-молота на стройплощадке; б) методика определения несущей способности сваи в процессе ее забивки по высоте подъема молота; в) рекомендовано применение наголовника II динамического типа, обеспечивающего повышенный КПД удара.

13. Проведенный анализ показывает, что оперативный контроль несущей способности и достижение сваей требуемой глубины невозможны при преждевременном ее повреждении от ударов молота. Выполнен анализ причин и форм повреждения свай при забивке.

Установлено, что основными причинами повреждения свай, не связанными с нарушением технологии изготовления, являются: а) применение слишком жестких упругих прокладок в наголовнике и отсутствие методов их подбора на практике; б) концентрация контактных напряжений на краевых наименее прочных краях торца сваи; в) особенности формы разрушения сжимаемых элементов, которое начинается с отслоения наружных боковых защитных слоев бетона задолго до разрушения средней части, охваченной косвенной арматурой.

14. Расчетом на ЭВМ показано, что увеличение толщины упругой прокладки существенно снижает величину ударной нагрузки на сваю, но экспериментально установлено, что при этом снижается максимальная высота подъема молота и ухудшается его пуск. Оптимальной является такая толщина прокладки, при которой максимальная высота подъема не меньше 3 м. Подбор необходимой толщины прокладки предложено осуществлять в процессе определения энергии удара дизель-молота на стройплощадке.

15. Рассмотрены различные методы регулирования эпюры контактных напряжений на торце сваи: применение выпуклой формы торца и прокладки переменной жесткости. Установлено, что наиболее простым и надежным является применение упругой прокладки переменной жесткости, обеспечивающей максимум напряжений в средней наиболее прочной части торца сваи и разгрушающей краевые наиболее слабые его части. Получено экспериментальное подтверждение высокой эффективности данного способа регулирования напряжений при погружении свай с пониженной прочностью бетона без повреждений.

16. Экспериментально установлен факт динамической защиты оголовка свай при забивке за счет инерции покоя обжимающих

Х93. колодок, прижатых к ее боковой поверхности. При этом, не требуется применения механизмов с гидро и пневмоприводом для обжатия сваи. Эффект динамической обоймы исключает отслаивание наружных слоев бетона в оголовке сваи и предотвращает начало ее разрушения. Совместно с вышеперечисленными мероприятиями он позволяет обеспечить равнопрочность сваи при забивке во всех ее сечениях.

17. Результаты исследований суммированы в предложенной конструкции наголовника II динамического типа. Наголовник обеспечивает повышенный на 25-30 % КПД преобразования энергии удара молота в работу по погружению сваи, а также защиту ее оголовка от повреждения. Применение этого наголовника позволяет безусловно погрузить сваи на требуемую глубину и до требуемой несущей способности без повреждений и обеспечить контроль ее несущей способности в процессе погружения.

В заключении следует отметить следующее. В данной работе рассмотрен комплекс вопросов, охватывающих различные этапы создания свайных фундаментов. Это оказалось возможным потому, что усилиями ученых и специалистов накоплен огромный материал о работе свай и свайных фундаментов в грунтовом основании, о физике процесса погружения свай, о прочности свай под ударной нагрузкой. Без этих данных учет неоднородности грунтов был бы невозможен и несвоевременным. Сегодня пришло время, когда без объективной оценки неоднородности накопленные знания не реализуются на практике в полной мере. Автор надеется, что данная работа внесет свой вклад в совершенствование свайных фундаментов и будет способствовать более эффективному практическому использованию достижений науки в данной области, поможет шире использовать новые безотходные технологии свайных работ.