автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Взаимодействие комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием

На правах рукописи

СТЕПАНОВ Максим Андреевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЛЕНТОЧНЫХ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОПРЕССОВАННЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

Специальность 05.23.02 — Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з МАП 2015

Тюмень 2015

005568946

005568946

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» («ТюмГАСУ») на кафедре «Строительное производство, основания и фундаменты».

Научный руководитель:

ПРОНОЗИН Яков Александрович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

ГОТМАН Наталья Залмановна

доктор технических наук, профессор,

ГУП БашНИИстрой, г. Уфа, заведующая

отделом «Основания и фундаменты»

САМАРИН Дмитрий Геннадьевич

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Основания, фундаменты и испытания сооружений»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

«КУБАНСКИИ АГРАРНЫЙ

Защита диссертации состоится 16 июня 2015 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.272.01 при ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет». Текст диссертации и автореферат размещены на сайте университета http://www.tgasu.ru.

тел. / факс: 8 (3452) 43-39-27 e-mail: maxim_stepanov@inbox.ru

Автореферат разослан °Ч 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук, доцент

Н.И. Куриленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Значительная часть крупных городов России, таких как Санкт-Петербург, Пермь, Тюмень и др., построена на территориях со слабыми пылевато-глинистыми водонасыщенными грунтами. В таких условиях достаточно сложной инженерной задачей является устройство фундаментов высотных зданий, зданий повышенной этажности и особенно их комплексов, отвечающих нормам и требованиям разумных экономических затрат, основанных на использовании традиционных технологий и представленной номенклатуры изделий заводской готовности, например, свай.

В связи с этим актуальной задачей является изучение взаимодействия системы «фундамент - грунтовое основание», максимально использующей принцип включения в работу каждого элемента, что приводит к повышению надежности сооружения, снижению материальных и трудовых затрат на производство работ, сокращению сроков строительства подземной части и снижению ущерба для окружающей среды.

Фундаментами, отвечающими данному принципу, для высотных и зданий повышенной этажности следует считать комбинированные ленточные свайные фундаменты с предварительной опрессовкой грунтового основания, выполняемой за счет нагнетания в пролетную часть под давлением растворной смеси. Их использование в указанных выше условиях улучшает строительные свойства и уменьшает сжимаемость грунтов в активной зоне, увеличивает несущую способность свай, создает остаточное напряженное состояние в основании, снижающее его деформируемость, а также сокращает материалоемкость за счет экономии бетона и арматуры. Кроме этого, устраняются возможные последствия расструктуривания грунта, возникающие по причине метеорологических и механических воздействий на грунтовое основание.

Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением ее разделов в рамках госбюджетных тем № ГР 01201254210 инвентарный номер 02201359522 (2012 г., руководитель: Пронозин Я. А.); инвентарный номер 02201453432 (2013 г., руководитель: Пронозин Я.А.).

Объект исследования: фунтовое основание, сложенное преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, при его предварительной опрессовке на технологической стадии и нагружении на эксплуатационной стадии комбинированными ленточными свайными фундаментами.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние грунтового основания, сложенного преимущественно пылевато-глинистыми фунтами, загруженного комбинированными ленточными свайными фундаментами, на технологической и эксплуатационной стадиях.

Цель исследования: выявление закономерностей взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием, сложенным преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, на основе экспериментально-теоретических исследований с разработкой инженерного метода прогноза осадки.

Задачи исследования:

аналитическими и численными методами обосновать эффективность применения комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания для высотных и повышенной этажности зданий на основаниях, сложенных преимущественно пылевато-глинистыми грунтами;

выявить влияние свойств грунтового основания и его предварительной опрессовки на работу комбинированных ленточных свайных фундаментов;

разработать методику и провести экспериментальные исследования взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием на крупномасштабной модели в полевых условиях;

определить параметры напряженно-деформированного состояния грунтового основания естественного сложения при взаимодействии его с крупномасштабной моделью комбинированного ленточного свайного фундамента на технологической и эксплуатационной стадиях с целью внедрения в практику строительства;

разработать инженерный метод прогноза осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки.

Научная новизна исследования:

1) разработан комбинированный ленточный свайный фундамент с возможностью выполнения предварительной опрессовки фунтового основания, повышающий надежность и эффективность строительства;

2) аналитически и численно выявлены закономерности влияния предварительной опрессовки грунтового основания на работу комбинированного ленточного свайного фундамента;

3) выявлены закономерности взаимодействия крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительно опрессованным грунтовым основанием, сложенным пылевато-глинистыми грунтами от полутвердой до текучепластичной консистенции, в полевых условиях;

4) разработан инженерный метод прогноза осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

в разработке нового вида фундаментов, а именно комбинированных ленточных свайных фундаментов с возможностью выполнения предварительной опрессовки грунтового основания;

в получении результатов натурных испытаний крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительной опрессовкой грунтового основания в полевых условиях;

в разработке инженерного метода прогноза осадок комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки;

в экономической эффективности использования в инженерной практике комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания.

Результаты исследования реализованы:

при выполнении капитального строительства объектов «Жилые дома ГП-1.1, ГП-1.2 с размещением на первых этажах нежилых помещений и паркинг ГП-1.3 по ул. Геологоразведчиков, 44 в г. Тюмени» в качестве фундаментов 22-х этажных жилых домов ГП-1.1, ГП-1.2;

в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете (ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство»; при выполнении магистерских диссертаций по направлению 270800 «Строительство», магистерская программа «Теория и проектирование геотехнических сооружений»;

в региональных конкурсах студенческих научных работ (г. Тюмень, 2013,2014 гг.);

во Всероссийском конкурсе магистерских диссертаций по направлению 270800 «Строительство» (г. Нижний Новгород, 2014 г.).

Методология и методы исследования:

1) анализ современного состояния фундаментостроения в условиях сильнонагруженных слабых грунтовых оснований на основе отечественного и зарубежного опыта ученых и инженеров-геотехников;

2) использование аналитических и численных решений по выявлению закономерностей влияния свойств грунтового основания и его предварительной опрессовки на работу комбинированных ленточных свайных фундаментов;

3) проведение экспериментальных исследований взаимодействия крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительно опрессованным грунтовым основанием в полевых условиях, анализ данных полевых наблюдений за осадками фундамента и НДС фунтового основания на технологической и эксплуатационной стадии;

4) разработка инженерного метода прогноза осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки на основе феноменологической модели, учитывающей особенности деформирования грунтового основания под плитой и работу свай.

Положения, выносимые на защиту:

конструктивные и технологические приемы устройства комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой фунтового основания;

аналитически и численно выявленные закономерности влияния предварительной опрессовки грунтового основания на работу комбинированных ленточных свайных фундаментов на технологической и эксплуатационной стадиях;

результаты полевых исследований взаимодействия крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительно опрессованным грунтовым основанием на технологической и эксплуатационной стадиях;

инженерный метод прогноза осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном фунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается:

использованием в работе методов исследования, основанных на современных представлениях о механике деформирования грунтов;

использованием в работе сертифицированных и верифицированных в соответствии с действующими нормативными документами на территории РФ программных продуктов, реализующих МКЭ;

выполнением экспериментальных исследований с помощью современных апробированных контрольно-измерительных цифровых комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных приборов;

сравнением полученных в работе результатов с данными других исследований;

сопоставлением результатов численных и аналитических решений с экспериментальными данными.

Личный вклад автора состоит:

в подготовке экспериментальной базы для проведения исследований; в проведении и получении результатов натурных экспериментальных исследований на крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента в полевых условиях, их анализе и обобщении;

в выполнении численных и аналитических исследований взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием;

в разработке инженерного метода прогноза осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на Всероссийской НГЖ «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (г. Новочеркасск, 2012 г.); на Всероссийской и Международной НПК «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2012, 2014 гг.); на конференциях «Россия и Германия в научном диалоге» и «Совместные проекты и разработки студентов и молодых ученых России и Германии» в рамках года Россия -Германия 2012/13 (телемост Россия - Германия); на Общероссийской конференции молодых ученых, научных работников и специалистов «Геотехника: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); на НТК с международным участием «Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике» (г. Липецк, 2013 г.); на XVI межрегиональной строительной выставке «СтройПрогресс» (г. Владимир, 2014 г.); на Международной НТК «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); на Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (г. Пермь, 2014 г.).

Публикации. Основные результаты работы изложены в 10 научных статьях, 3 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, подана заявка о выдаче патента РФ на изобретение (приоритет от 05.03.2014г.), выполнено 2 отчета по госбюджетной теме.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 189 страниц машинописного текста, 123 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 204 наименований.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 3 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства подземных сооружений промышленного и гражданского назначении»; пункту 11 «Создание новых инженерных методов преобразования фунтов для повышения несущей способности оснований зданий и сооружений (уплотнением, закреплением, армированием, замораживанием и др.)».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведена общая характеристика работы.

Первая глава посвящена современному состоянию фундаментостроения в условиях сильнонагруженных слабых грунтовых оснований.

В главе рассмотрены комбинированные фундаменты как синтез плитного и свайного фундаментов. Выполнен анализ применения плитных конструкций и свай, их достоинства и недостатки при строительстве высотных и повышенной этажности зданий. Рассмотрены вопросы развития новых конструктивных форм и улучшения строительных свойств фунтового основания.

Потребность в комбинированных фундаментах возникает, когда осадки плитного фундамента превышают предельно допускаемые по действующим строительным нормам значения, а передача всей нафузки через сваи слишком затратна. Эффективным является проектирование комбинированного фундамента, обеспечивающего при безопасных деформациях основания максимальное использование сопротивления грунтов под плитной частью фундамента и несущей способности свай.

В настоящее время комбинированные фундаменты применяется по всему миру. Выполнен целый ряд научных исследований теоретического и экспериментального характера: работы В.Ф Александровича, О.В. Ашихмина, В.В. Бабанова, В.А. Барвашова, Б.В. Бахолдина, С.Г. Безволева, Г.Г. Болдырева, В.А. Васенина, А.Л. Готмана, Н.З. Готман, И.В. Глушкова, Г.Н. Гусева, П.А. Малинина, C.B. Курилло, В.В. Лушникова, P.A. Мангушева, И.Т. Мирсаяпова, Ю.Р. Оржеховского, В.П. Петрухина, Е.А. Сорочана, З.Г. Тер-Мартиросяна, А.Б. Фадеева, В.Г. Федоровского, Д.Ю. Чунюка, А.Г. Шашкина, К.Г. Шашкина, O.A. Шулятьева, В.М. Улицкого и др. Результаты этих и других исследований нашли отражение в ряде нормативных документов. В Германии профессорами Р. Катценбахом и Г. Кёнигом были разработаны рекомендации по проектированию комбинированных фундаментов.

Характерной особенностью инженерно-геологического строения значительной части городских территорий юга Тюменской области является сложное залегание глинистых напластований аллювиальных грунтов, зачастую относящихся к слабым по трем показателям: модулю деформации, расчетному сопротивлению и степени влажности. При воздействии на фунтовое основание давления от 200 до 450 кПа актуальным является вопрос устройства фундаментов, отвечающих требованиям разумных экономических затрат и норм по не превышению максимальных осадок, их неравномерности и крена.

Эффективными фундаментами в условиях сильнонагруженных слабых фунтовых оснований следует считать комбинированные ленточные свайные фундаменты (КЛСФ) с предварительной опрессовкой грунтового основания, выполняемой за счет нагнетания под давлением растворной смеси (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент КЛСФ с предварительной опрессовкой грунтового основания: 1 - пологая армированная оболочка; 2 -искусственное основание с нагнетенным раствором (после твердения раствора - плита переменной жёсткости); 3 - ленточный ростверк;

4 - свая; 5 - несущие стены; 6 - пленка; 7 - армирующая сетка оболочки; 8 - перфорированный инъектор; 9 - предварительно напрягаемое естественное основание.

Комбинированный ленточный свайный фундамент состоит из плит переменной жесткости (2), ограниченных перекрестно расположенными ростверками (3), объединяющими несущие сваи (4).

В процессе заполнения искусственного основания через перфорированные инъекторы (8) цементным раствором под давлением (опрессовка). происходит вовлечение в работу оболочек (1) и естественного грунтового основания (9) под оболочечной частью. Мри этом оболочка (I) натягивается, грунтовое основание нагружается гидростатическим давлением, за счет чего происходит его предварительное напряжение. Подъем оболочки при создании давления в области минерального основания ограничен закреплением ее в ростверке (3), который в свою очередь заанкерен в вертикальной плоскости сваями (4) или загружен вышележащими этажами (5). После твердения нагнетаемого раствора армированная оболочка (1) положительной или нулевой Гауссовой кривизны, устроенная по криволинейной поверхности искусственного основания (2) из щебня или другого минерального материала, преобразуется в плиту переменной жесткости (2).

Под предварительным напряжением грунта, возникающем при опрессовке. понимается полное или частичное стеснение упругих деформаций основания после реализации силового воздействия. Вопросами преднапряженного состояния грунтового основания занимались А.С.М. Абдул Малек, М.Ю. Абелев.

A.A. Бартоломей, О.С. Вертынский, Ю.К. Зарецкий. A.A. Землянский,

B.В. Знаменский, Ю.В. Наумкина. О.И. Рубцов. З.Г. Тер-Мартиросян. O.A. Шулятьев. Н. Brandl, H.G. Poulos и др.

Основные отличия предлагаемых фундаментов от комбинированных заключаются в том. что сваи устраняют дефицит жесткости основания и расположены не под всей площадью здания с определенным шагом в двух направлениях, а строго под силовыми линиями нагружения (несущими стенами, колоннами). Плита переменной жесткости обладает меньшей материалоемкостью, а расположение всей рабочей арматуры по линии главных растягивающих напряжений позволяет

эффективно воспринимать изгибающие моменты и поперечные силы после приложения на фундамент внешних (эксплуатационных) нагрузок.

Предварительная опрессовка грунтового основания позволяет:

существенно улучшить строительные свойства грунтов в пролетной части, уменьшить их сжимаемость в активном слое;

создать дополнительное обжатие боковым давлением свай, что приводит к увеличению их несущей способности и. соответственно, уменьшению количества:

• при передаче части эксплуатационной нагрузки изменить характер деформирования грунтов основания в соответствии с модулем разгрузки Ее;

• использовать типовые сваи заводской готовности за счет регулирования нагрузки, передаваемой на сваи величиной предварительного напряжения.

На основании проведенного литературного обзора и предложенного вида фундаментов были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе выполнен анализ влияния процесса опрессовки на напряженно-деформированное состояние грунта и конечную осадку фундамента по результатам аналитических и численных исследований взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов с основанием, сложенным пылевато-глинистыми грунтами.

Устройство фундаментов предусматривает строгую последовательность (стадийность) производства работ. Первая (подготовительная) стадия - планировка грунтового естественного и искусственного оснований, устройство ленточных свайных фундаментов и объединяющих их пологих цилиндрических железобетонных оболочек. Вторая стадия (технологическая) - опрессовка под давлением подоболочечного пространства цементным раствором. И третья стадия (эксплуатационная) - статическое нагружение фундамента сооружением (рис. 2).

эксплуатационная стадия (справа).

В результате аналитического исследования влияния предварительной опрессовки. используя зависимости, заложенные в СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений», установлена возможность увеличения модуля деформации грунтов активной зоны. Выявлено, что зависимость изменения модуля деформации аллювиальных мягкопластичных суглинков четвертичных отложений от коэффициента пористости грунта носит нелинейный полиномиальный характер с

экстремумом (рис. 3). Максимум функции достигается при

коэффициенте пористости 0,8< е <0.95. Увеличение модуля деформации достигает 9-10% в верхнем слое,

увеличение средневзвешенного модуля деформации по глубине 7-8%.

Максимальное

N II

= 2

£ с- 2

5 С

« -в"

3 § 0

10 8 6 4

9,34—^,

\л// Хщ5,Г> \з,о

13 -^ШЪЛ

2,8 1,9

0,6 0,7 0.8 0,9 1

Коэффициент пористости е, д.е.

♦ Верхний слой -■-Среднее значение по глубине сжимаемой толщи основания

Рис. 3. График зависимости изменения модуля деформации грунта от коэффициента пористости при давлении опрессовки ропр=Шк\\а.

давление опрессобки Ропр

расчетная область

эллипсы напряжений' йосновании

ленточный сЬайный

фундамент

6000

6000

переменной жесткости

увеличение удельного сцепления с и угла внутреннего трения (р при давлении

опрессовки, например р0„р=\ ООкПа, составило 4-6% в верхнем слое с постоянным

затуханием по глубине. Изменение средневзвешенного значения удельного сцепления

с и угла внутреннего трения (р на глубину сжимаемой толщи составило 2-3%.

При опрессовке

раствором основания

пролетной части фундамента

в грунтовом массиве

создается дополнительное

боковое давление, которое

воздействует на сваи.

увеличивая трение на

контакте свая-грунт. Для

моделирования принят

ленточный свайный

фундамент: длина свай 10м.

шаг свай 1м; пролет равен

строительному модулю 6м.

Грунт - мягкопластичный

Рис. 4. Расчетная схема и исходные данные для анализа * , „ _ ,, ,

суглинок //=0.7. £=6МПа.

влияния обжатия свай боковым давлением.

Используя для нахождения дополнительного бокового давления решение И.Х. Митчела в условиях плоского напряженного состояния изотропного тела (рис. 4). установлено, что несущая способность сваи в процессе опрессовки слабого пылевато-глинистого грунтового основания давлением 50 - ЮОкПа увеличивается на 10-15%. Зависимость увеличения несущей способности свай от давления опрессовки представлена на рисунке 5.

Согласно результатам численного моделирования в программном комплексе Plaxis 8.x в условиях плоской деформации с использованием упругопластической модели Мора-Кулона, несущая

способность сваи в процессе предварительной опрессовки слабого пылевато-глинистого грунтового основания

увеличивается на 5-15% в зависимости от давления, что согласуется с результатами аналитических исследований (рис. 5).

Наличие преднапряженного состояния грунтового основания комбинированных ленточных свайных фундаментов после опрессовки было исследовано с помощью программного комплекса Plaxis 3D в условиях объемной деформации с использованием модели Hardening Soil (рис. 6).

При приложении местной нагрузки на нелинейно-деформируемое основание максимальные преобразования модуля разгрузки £,„. возникают под центром воздействия опрессовки, изменения в этой области составляют до 30% и распространяются на глубину от 1.55 на момент завершения опрессовки до 3В в процессе ее выполнения, где В - ширина пролета (рис. 6). В каждом пролете наблюдается существенное остаточное напряжение аг_х. что говорит о формировании дополнительного поля НДС под воздействием опрессовки.

Анализ влияния очередности преднапряжения грунтового основания многопролетного комбинированного ленточного свайного фундамента выявил, что наиболее эффективной последовательностью является выполнение опрессовки через один пролет с движением от краев к центру. Рост напряжений по отношению к начальному НДС основания достигает 200% и распространяется на глубину до 1,55. Это позволяет оказать максимальное влияние на грунтовое основание фундамента с точки зрения снижения его деформируемости при приложении эксплуатационной нагрузки.

II = ю

5 о

а °

■5 =

^ и

14 12 10

8 6 4 2 0

— 1 - Plaxis 2/

2 _ Аналити ческий /V

ме -од XL

0

20 40 60 80 Давление опрессовки р<тр, кПа

Рис. 5. График зависимости изменения несущей способности сваи от давления опрессовки ропр.

100

¡1

I и

-

ь. I

Рис. 6. Изменение модуля разгрузки Еиг до опрессовки грунтового основания (слева) и после (справа) опрессовки. разгрузки основания.

Таким образом, по результатам аналитических и численных исследований установлено, что опрессовка оказывает значительное влияние на формирование НДС грунтового основания. Варьирование таких параметров, как: давление опрессовки. очередность опрессовываемых пролетов, стадийность выполнения в процессе строительства или эксплуатации объекта - позволяет добиваться требуемых параметров грунтового основания в плане и по глубине, улучшающих взаимодействие с фундаментом и надземной частью здания или сооружения, а также рационально проектировать систему «фундамент — грунтовое основание», исходя из принципа максимального включения в работу каждого элемента комбинированного ленточного свайного фундамента.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования взаимодействия крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительно опрессованным грунтовым основанием, сложенным водонасыщенными суглинками от тугопластичной до текучепластичной консистенции, в полевых условиях.

¡ИЭ^НЙЯЯЯШШЯЯЯ™!^ Исследуемым объектом являлся

фундамент, размерами в плане 3.0x1.8м. в виде двух однорядных свайных лент с шириной ростверков 250мм и с устройством плиты переменной жесткости в пролетной части (рис. 7). Под ростверками были устроены по три буронабивные сваи длиной 2500мм, диаметром 200мм и уширенной пятой диаметром 500мм для обеспечения анкеровки при опрессовке грунтового основания. Также в непосредственной близости были испытаны плоская жесткая

Рис. 7. Общий вид опытного фундамента.

железобетонная фундаментная плита, аналогичными размерами в плане, и одиночные сваи, аналогичные сваям исследуемого фундамента.

Оснастка грунтового основания глубинными марками и мессдозами позволила оценить НДС грунта активной зоны фундамента на технологической и эксплуатационной стадиях.

Предварительная опрессовка грунтового основания выполнялась путем заполнения искусственного щебеночного основания пролетной части фундамента цементным раствором через перфорированные инъекторы с последующим «отдыхом». Закачка раствора производилась в 2 этапа под ненагруженный фундамент с возрастающим до 50кПа давлением в течение 8 часов. Под давлением оболочка, трансформировавшаяся впоследствии в плиту переменной жесткости, натягивалась, ребра поднимались, сваи воспринимали, как анкер, выдергивающие усилия.

Максимальные вертикальные перемещения грунта (на уровне подошвы плиты переменной жесткости, объединяющей ленточные свайные фундаменты) на технологической стадии составили 2,4мм, полное затухание вертикальных перемещений соответствует глубине 0,7В, где В - ширина фундамента (рис. 8а). После завершения опрессовки в грунтовом основании под центром фундамента зафиксированы остаточные напряжения на глубину до 0.45. влияющие на осадку и несущую способность массива.

а) при опрессовке под давлением ропр=50 кПа

6)^=41,15 кПа

\у V У V

-1500 -1000

Рис. 8. Изолинии вертикальных перемещений грунтового основания: а) при опрессовке; б) при /?ч,=41,15 кПа.

Статическое нагружение велось при помощи блоков ФБС 24.6.6. Ступени нагружения равнялись 80.8кН на первой ступени и 141,4кН на последующих ступенях, среднее давление составило рс^=0,015МПа и рбр=0.026МПа соответственно. Общая нагрузка на исследуемый фундамент составила 1494.8кН, что соответствовало среднему давлению под подошвой плиты переменной жесткости фундамента рср=276.81кПа.

Установлено, что до приложения на фундамент внешней нагрузки, не превышающей давление раствора при опрессовке. осадки фундамента практически не развиваются, не более 0.5мм (рис. 86). Это позволяет утверждать, что основание деформируется по модулю разгрузки Ее и. как следствие, о возможности регулирования осадки фундамента давлением опрессовки с учетом дальнейшего приложения полной нагрузки от здания или сооружения.

С увеличением нагрузки осадки исследуемого комбинированного фундамента развиваются за счет деформации грунта на уровне концов свай и ниже на глубину, не превышающую двойное уширение свайной пяты.

Максимальные вертикальные перемещения грунта на последней ступени нагружения, равной 1494.8кН, что соответствовало рср=276.81 кПа. составили порядка 70мм (рис. 9). Важно отметить примерное равенство вертикальных перемещений грунта от подошвы плиты переменной жесткости, объединяющей ленточные свайные фундаменты, до уширения свай (с постепенным их затуханием), что обусловлено предварительной опреесовкой грунтового основания и, как следствие, снижением сжимаемости грунта в активной зоне (рис. 10). Грунт под пролетной частью работает, как единый массив повышенной жесткости (рис. 10). что позволяет увеличить нагрузку на основание фундамента и уменьшить его осадки.

Рис. 9. Изолинии вертикальных

перемещений грунтового основания при рср=276.81 кПа.

но 120 со 80 60 40 го а го иа 60 80 юа 120 ив

А, пм

Рис. 10. Эпюры вертикальных перемещений (а) и относительных деформаций (б) грунтового основания комбинированного ленточного свайного фундамента и фундаментной плиты при

Рср=224.4 кПа.

В результате проведения экспериментов выявлено, что осадка исследуемого фундамента на всех стадиях нагружения в несколько раз меньше осадки плоской плиты. При осадке 60мм нагрузка, воспринимаемая основанием комбинированного ленточного свайного фундамента, на 45% выше нагрузки, воспринимаемой основанием плиты (рис. 11).

Экспериментальная несущая способность одиночных свай составила 50-60кН. Принимая экспериментальную нагрузку, соответствующую срыву сваи, за ее несущую способность, следует считать, что несущая способность шести свай составляет ЗЗОкН. Таким образом, по принципу суперпозиции сумма нагрузки, передаваемой на грунтовое основание плиты, и несущей способности свай на осадке 60мм составляет 1330кН. что на 8-10% ниже нагрузки, воспринимаемой основанием комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания, и связано с деформированием основания по модулю разгрузки, увеличением несущей способности свай, повышением физико-механических характеристик грунта. Учитывая же взаимовлияние плиты и свай, можно говорить об увеличении нагрузки, воспринимаемой основанием комбинированных ленточных свайных фундаментов, до 30-40%

-•-1 - ЮСФ с предварительной опрессовкой грунтового основания (1500*3000) -е-!! - Фундаментная плита (1800*3000)

Рис. 11. График осадки крупномасштабных моделей комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительной опрессовкой грунтового основания и фундаментной плиты.

Анализ изменения характеристик грунтов активной зоны основания (рис. 12) показал, что максимальное уплотнение произошло в слое грунта непосредственно под подошвой плиты переменной жесткости, объединяющей ленточные свайные фундаменты. Удельный вес грунта данного слоя увеличился на 4,7%; удельный вес скелета грунта уц на 7%; коэффициент пористости уменьшился на 15.3%.

В соответствии с изменением

показателя текучести грунт изменил консистенцию - из тугопластичной перешел в полутвердую глину. Также значительное уплотнение зафиксировано во 2-м слое, там природная влажность уменьшилась на 23%, грунт изменил консистенцию с тугопластичного суглинка до полутвердого. Об уплотнении свидетельствует и повышение значения модуля

деформации (для слоя, находящегося непосредственно под подошвой фундамента - в 2 раза); также в результате произведенной опрессовки грунтового основания увеличилось удельное сцепление.

Таким образом, полевые экспериментальные исследования подтвердили высокую эффективность комбинированного ленточного свайного фундамента, основанную на улучшении свойств грунтового основания его предварительной опрессовкой и на совместной работе плиты переменной жесткости и свай.

Рис. 12. Линии отбора проб грунта под центром исследуемого комбинированного ленточного свайного фундамента.

В четвертой главе представлен инженерный метод прогноза осадки ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании.

Аксонометрическая схема расчетной области представлена на рисунке 13.

Рис. 13. Аксонометрическая схема расчетной области комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания.

Расчетная схема представляет собой задачу плоской деформации, где жесткостные параметры основания плиты и свай приведены к 1м.п. Ленточные ростверки загружены по «силовым» осям распределенной нагрузкой и р2-

Грунтовое основание моделируется согласно гипотезе Фусса-Винклера. на основании метода «местных упругих деформаций», с использованием упруго-податливых связей, характеризующих жесткость свай Ксв, вдоль силовых линий, и упругими связями (коэффициент постели /V,). отражающими поведение грунтового основания под плитой (рис. 14).

Согласно предлагаемому методу, расчет состоит из 2-х стадий:

1. Осадка плиты а Л'„,. где Зсо — сдвиговая осадка сваи.

На этом участке глубина сжимаемой толщи мала, работу свай можно учитывать в полной мере пропорционально их жесткости.

2. Осадка плиты

Жесткость свай уменьшается за счет выключения из работы верхней части, попадающей под влияние деформирования грунтового основания от объединяющей плиты с накоплением верхней частью основания осадки, равной или большей сдвиговой осадки свай (рис. 15).

Рис. 14. Расчетная схема КЛСФ на основании метода Рис. 15. Работа сваи на второй «местных упругих деформаций». стадии расчета фундамента.

С целью определения сдвиговой осадки висячих свай в пылевато-глинистых грунтах различной консистенции была выполнена обработка данных статических испытаний 122 забивных свай квадратного сечения ЗООхЗООмм длиной от 6 до 12м, выполненных в г. Тюмени.

Подтвердилась гипотеза о наличии нормального распределения в генеральной совокупности по данным выборки, на основании критерия «хи-квадрат» (критерий согласия Пирсона). С вероятностью 95% следует считать сдвиговую осадку равной 9.9-10мм.

В результате выполненных исследований предложен расчетный алгоритм прогноза осадки исследуемых фундаментов (рис. 17).

В численном расчете в качестве модели фундамента принята точная геометрическая копия комбинированного ленточного свайного фундамента, работа которого была исследована на крупномасштабной модели в полевых условиях (см. главу III). Нагрузка передавалась по силовым линиям на продольные ростверки фундамента. Слоистое грунтовое основание при расчете было принято с фактическими физико-механическими характеристиками до и после проведенной предварительной опрессовки грунта. Применение предлагаемого метода позволяет с точностью до 15% прогнозировать осадку исследуемых комбинированных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании (рис. 18).

Давление рср, кПа 0 50 100 150 200 250 300

" * ~* „ , —"—Эксперимент

10

20 30 | 40 2 50 1 60 О 70 80 90 100

-*—Расчетная методика

—»—Расчетная методика с учетом влияния опрессовки

—Р1ах!Б (Модель Мора-Кулона)

Рис. 18. График осадки комбинированного ленточного свайного фундамента на предварительно опрессованном грунтовом основании.

Выполненные исследования

позволили применить при строительстве двух 22-х этажных жилых домов в г. Тюмени (рис. 19) в качестве фундаментов комбинированные ленточные свайные на основе 128-ми свай длиной 12 метров и 92-х свай длиной 10 метров с предварительной опрессовкой грунтового основания, как альтернативу свайно-плитному фундаменту на основе 320-ти составных забивных свай длиной 16 метров, что привело к сокращению сметной стоимости с 18,96 до 11.04 млн. руб. Трудозатраты сократились с Рис- 19- Процесс возведения двух 22-х 11 82 до 7 27 тыс чел час этажных жилых домов в г. Тюмени.

Разработана и внедрена технология устройства исследуемых фундаментов (рис. 20.21).

Рис. 20. Армирование ростверков и Рис. 21. Общий вид комбинированных

пролетной части комбинированных ленточных свайных фундаментов,

ленточных свайных фундаментов.

На период начала декабря 2014 года полностью возведен каркас здания и наружные стены на высоту 14-ти этажей, приложено около 65-70% общей нагрузки. Согласно данным геотехнического мониторинга, осадка зданий равномерна и составляет 25-30мм. что составляет около 25% конечной расчетной осадки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан комбинированный ленточный свайный фундамент с возможностью предварительной опрессовки грунтового основания, выполняемой за счет нагнетания в пролетную часть под давлением растворной смеси, что позволяет при взаимодействии «фундамент - грунтовое основание» максимально использовать принцип включения в работу каждого элемента, тем самым повысить надежность сооружения, снизить материальные и трудовые затраты на производство работ, а также сократить сроки строительства подземной части и ущерб для окружающей среды.

2. Аналитически и численно обоснована эффективность применения комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания для высотных и повышенной этажности зданий на основаниях, сложенных преимущественно пылевато-глинистыми грунтами. Выявлены закономерности взаимодействия системы «фундамент — грунтовое основание»: предварительная опрессовка грунтового основания позволяет существенно улучшить строительные свойства грунтов в пролетной части, уменьшить их сжимаемость в активном слое; позволяет создать дополнительное обжатие боковым давлением свай, что приводит к увеличению их несущей способности и. соответственно, уменьшению количества; при передаче части эксплуатационной нагрузки предварительно опрессованное грунтовое основание в активном слое работает в соответствии с модулем разгрузки Ее.

3. На основе экспериментальных данных выявлено, что использование комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания позволило на 8-10% повысить величину нагрузки, воспринимаемую основанием исследуемого фундамента, на осадках, сопоставимых с предельными значениями для гражданских зданий, по отношению к сумме нагрузки, передаваемой на основание плиты, и несущей способности свайного поля на естественном основании. А учитывая эффект взаимовлияния плиты и свай, предварительная опрессовка увеличивает нагрузку, воспринимаемую основанием комбинированных ленточных свайных фундаментов, на 30-40% по отношению к традиционным комбинированным фундаментам. До приложения на фундамент внешней нагрузки, не превышающей давление раствора при опрессовке, осадки фундамента практически не развиваются.

4. Экспериментально установлено, что напряжение грунта опрессовкой позволяет существенно снизить сжимаемость грунтового основания в активном слое, а также повысить несущую способность свай на 5-15% за счет дополнительного обжатия боковым давлением верхней части свай. Так, для тугопластичной глины, залегающей под подошвой плиты переменной жесткости фундамента, установлено увеличение удельного веса на 4,7%; уменьшение влажности на 12%; уменьшение коэффициента пористости - на 15,3%; повышение модуля деформации в 2 раза.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен инженерный метод, позволяющий с точностью до 15% прогнозировать осадку комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании при действии вертикальной статической нагрузки, согласно феноменологической модели, учитывающей особенности деформирования грунтового основания под плитой и работу свай.

6. Применение при строительстве двух 22-х этажных жилых домов в г. Тюмени комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительной опрессовкой грунтового основания, позволило снизить сметную стоимость на возведение подземной части каждого здания на 30-40%, трудоемкость — на 40% по отношению к комбинированному свайно-плитному фундаменту из составных забивных свай.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Степанов, М.А. Обоснование использования свайно-оболочечных фундаментов с предварительно напряженным фунтовым основанием / З.Г. Тер-Мартиросян, Я.А. Пронозин, М.А. Степанов // Основания, фундаменты и механика фунтов. Сер.: Механика фунтов. - №4, 2012. - С. 2 - 5.

2. Степанов, М.А. Расчетно-экспериментальное обоснование использования свайно-оболочечных фундаментов в высотном строительстве / В.М. Чикишев, Я.А. Пронозин, Л.Е. Мальцев, Ю.В. Зазуля, М.А. Степанов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2012. Вып. 1(20).

3. Степанов, М.А. Влияние опрессовки грунтового основания на формирование НДС основания ленточных свайных фундаментов, объединенных плитами переменной жесткости / Степанов М.А. // Современные проблемы науки и образования, - 2014. - №5; URL: http://vvwvv.science-education.ru/119-15185 (дата обращения: 04.11.2014).

В других изданиях:

4. Степанов, М.А. Экспериментальные исследования взаимодействия свайно-оболочечных фундаментов с предварительно уплотняемым грунтовым основанием / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» - Новочеркасск: ЮРГТУ НПИ, 2012. - С.243-250

5. Степанов, М.А. Результаты экспериментального исследования деформирования глинистого основания при взаимодействии со свайно-плитным фундаментом и предварительном напряжении основания / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов // Межвузовский тематический сборник трудов Общероссийской конференции научных работников, молодых ученых и специалистов «Геотехника: теория и практика». - Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2013. - С. 47-52.

6. Степанов, М.А. НДС грунтового основания при взаимодействии с крупномасштабной моделью плитно-свайного фундамента переменной жесткости и предварительной опрессовкой основания / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов, Е.С. Отраснова // Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике. Материалы научно-технической конференции 27-29 октября 2013 г. — М.: НОУ ВПО «ИНЭП»: Издательство «Палеотип», 2013. - С. 103-110.

7. Степанов, М.А. Прогноз осадки ленточных свайных фундаментов с предварительно напряженным фунтовым основанием / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов // Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию образования кафедры Геотехники СПбГАСУ (механики грунтов, оснований и фундаментов ЛИСИ) и 290-летию российской науки. - Ч. I. - СПбГАСУ. - Спб., 2014. - С.490-498.

8. Степанов, М.А. Экспериментальное обоснование использования ленточных свайных фундаментов с предварительно напряженным грунтовым основанием / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов // Журнал «Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура». - №2, 2014. - С. 180 - 189.

9. Степанов, М.А. Сдвиговая осадка свай для некоторых характерных для юга Тюменской области грунтов / Я.А. Пронозин, О.В. Ашихмин, A.B. Соловьев, М.А. Степанов // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: сборник материалов международной научно-практической конференции. - В 3-х т. - T.I. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2014. -С. 56-60.

10. Степанов, М.А. Воздействие опрессовки на грунтовое основание / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов, A.B. Копица // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: сборник материалов международной научно-практической конференции. - В 3-х т. - T.I. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2014. - С. 88 - 92.

Свидетельства:

1. Свид. 2013612789 Российская Федерация. Решение одномерной задачи фильтрационной консолидации/ Пронозин Я.А., Гербер А.Д., Наумкина Ю.В., Степанов М.А.; зарегистр. 13.03.2013г.

Отчеты по госбюджетной теме:

1. Методология разработки и исследования комбинированных свайно-оболочечных фундаментов (КСОФ) с предварительным уплотнением грунтового основания для высотных зданий. Разработка методологии решения задач по взаимодействию КСОФ с грунтовым основанием: Код темы по ГРНТИ 67.11.29 / Тюм. гос. арх.-строит. университет, рук.: Пронозин Я.А.; исполн.: Степанов М.А. [и др.]. - Тюмень, 2012.-27 с. - № ГР 01201254210. Инв. № 02201359522.

2. Методология исследования и разработки комбинированных свайно-оболочечных фундаментов (КСОФ) с предварительным уплотнением грунтового основания для высотных зданий: Код темы по ГРНТИ 67.11.29 / Тюм. гос. арх.-строит. университет, рук.: Пронозин Я.А.; исполн.: Степанов М.А. [и др.]. -Тюмень, 2013. - 64 с. - № ГР 01201254210. Инв. № 02201453432.

СТЕПАНОВ Максим Андреевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЛЕНТОЧНЫХ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОПРЕССОВАННЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать «10» апреля 2015 г. Формат 60x84 /16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 850 РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2