автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Взаимодействие лопастных свай в составе кустов с окружающим грунтом

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАЙ Владимир Федорович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛОПАСТНЫХ СВАЙ В СОСТАВЕ КУСТОВ С ОКРУЖАИЩШ ГРУНТОМ.

05.23.02 - Основания И фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пермь - 1993

- г -

Работа выполнена в тюменской инженерно-строительном институте

и в Пермском государственном техническом университете.

Научные руководители: - член-корреспондент Российской Академии

наук, заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор А. А. Бартоломей; - кандидат технических наук, доцент В. Ы. Чикишев.

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техники

России, доктор технических наук, профессор Б. Е Гончаров; - кандидат технических наук, доцент Н. Г. Ыамаев:

Ведущая организация - ПСМО "Тюменьнефтегазстрой"

Защита состоится 30 1993 года в и часов на засе-

дании специализированного совета К 063.66.02 в Пермском государственном техническом университете. Адрес: 614600, ГСП-45, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29а, ауд.423.

С диссертацией можно ознакомиться в бибилиотеке университета Автореферат разослан " " г.

Учёный секретарь доктор технических

специализированного совета наук Л. и. Тимофеева

Актуальность темы. В последние годы Западная Сибирь является главной сырьевой базой по добыче нефти и газа в России. Это обусловило неуклонный рост объёмов строительных работ. Значительная часть территории Западной Сибири сложена слабыми глинистыми грунтами, поэтому в данных условиях замена фундаментов на естественном основании свайными является в большинстве случаев наиболее экономичным решением. В то же время использование традиционных призматических и других гладких свай сплошного сечения мало эффективно. т. к. их несущая способность по материалу намного больше чем по грунту. В этих условиях наиболее рационально работают свайные фундаменты из свай с раскрывающимися лопастями, конструкция которых была разработана сотрудниками кафедры "Механика грунтов, основания и фундаменты" ТюмИСИ и кафедры "Основания, фундаменты и мосты" ПГТУ. Применение данных свай даёт возможность значительно уменьшить материалоёмкость фундаментов за счёт увеличения несущей способности в 1,5-2 раза по сравнению с обычными забивными сваями.

До настоящего времени комплексных экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия свай с лопастями в составе кустов с грунтом не проводилось. Для внедрения таких сгай в массовое строительство необходимо исследовать их работу в составе фундаментов, разработать методы расчёта несушей способности и прогноза осадок, поэтому настоящая работа является своевременной и актуальной.

Делыо работы является выявление основных закономерностей взаимодействия свай с лопастями в составе фундаментов с грунтовым массивом и разработка инженерной методики расчёта фундаментов с применением лопастных свай.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

-проведены экспериментальные исследования работы свай с лопастями в составе кустов при действии вертикальной вдавливающей нагрузки;

- изучена закономерность распределения деформаций и напряжений в контактной зоне с боковой поверхностью, под сваями и в центре грунтового массива куста, взаимодействующего со сваями;

- предложена методика расчёта несущей способности и прогноза осадок свайных фундаментов.

• Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования работы свай с лопастями в составе кустов в глинистых грунтах, которые позволили:

- установить закономерность распределения контактных напряжений

по боковой поверхности ствола и по подошве лопастей свай;

- выявить закономерность распределения напряжений и деформаций в грунте между сваями и ниже уровня лопастей;

- получить количественное распределение действующей на сваю нагрузки между наконечником и боковой поверхностью;

- разработать методику расчёта осадки и несущей способности кустов из лопастных свай.

Практическое значение работы состой? в том, что на основании экспериментально-теоретических исследований предложен метод расчёта несудей способности и осадки свайного фундамента из лопастных свай в водонасыщенных глинистых грунтах, позволяющий наиболее полно учитывать действительную работу свай повышенной несущей способности.

Внедрение результатов исследовглий. Тематика диссертационной работы была включена в комплексную научно-техническую программу "Нефть и газ Западной Сибири". Предложенные методы расчёта несушей способности и осадки свайных кустов из лопастных свай использованы проектным институтом "ЮШИГИПРОГАЗ" при проектировании четырех компрессорных станций на газопроводе б районе Среднего Приобья Тюменской области. Экономический эффест от внедрения разработок составил 868 тыс. руб. (Цены 1984 г.)

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на областной конференции "Проблемы и практика' строительства в Тюменской области" (г.Тюмень, 1990 г.), на 2-ой всесоюзной конференции "Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР" (г. Одесса. 1990 г.), на всесэюрной научно-практической конференции "Прогресс и безопасность" (г.Тюмень, .1990 г.), на 3-ем всесоюзном сове пении-семинаре "Ыеханйзшэованная безотходная технология возведения свайных фундаментов" (г. Владивосток, 1991г.) на третьей международной конференции "Проблемы свайного фундамеэтостроения" (г. Минск, 1992 г.), на международной конференции по фундаментострое-нию (КНР. Кяньджинь, 1932 г.).

Публикации. Основное содержание дисертации опубликовано в десяти печатных работах.

На защиту выносятся:

- результаты з:;спериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния глинистых грунтов в основании свай с раскрывающимися лопастями в составе кустов при действии вертикальной вдавливающей нагрузки;

- методика определения несущей способности и величины осадки ло-

пастных свай в составе кустов, работающих в слабых глинистых грунтах;

- основные выводы и рекомендации, сделанные па основе анализа экспериментальных и теоретических исследований.

Структура и объём работа Диссертационная работа состоит из пяти глав, включая введение, основных выводов, библиографии и приложений. Общий объём текст? 1Ь2 страницы, в том числе 41 рисунок и 13 таблиц, список литературы из 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введениии (глава 1) обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, отмечается научная новизна полученных результатов и перечислены вопросы, выносимые на защиту.

Вторая глава посвящена краткому обзору работ, выполненных отечественными и зарубежными учёными, посвященных взаимодействию свай повышенной несущей способности с окружающим грунтом, экспериментальным исследованиям работы свайных фундаментов из свай, имеющих увеличенную площадь опирания, а также существующим методам расчёта таких фундаментов.

Наибольший вклад в изучение работы свайных фундаментов внесли следующие учёные: Абелев IIМ., Аббасов П. А., Бартоломей А. А., Бе-резанцев Е Г., Бахолдин & & , Большаков Е М., Герсеванов Е К., Голубков Е Е , Гончаров Е Е , Далматов Е И., Дорошкевич Н. и., Зарец-кий КХ К , Знаменский Е Е . Лушников Е Е , Лапшин Ф. К.. Малышев 11Е Новожилов Е Ф., Ободовский А. А., Пилягин А. Е , Радугин А. Е., Россихин а Е , Сорочян Е. А., Трофиыэнков Ю. р., Тер-Ыартиросян 3. Г., Ухо в С. Б., Феклин Е И., Швец Е Е и многие другие.

Шрокое распространение свайных фундаментов в России и за рубежом обусловило появление множества работ, направленных на разработку новых оптимальных конструкций свайных фундаментов с целью снижения их стоимости, материалоёмкости и увеличения несущей способности.

Анализ прогрессивных конструкций свай позволяет выделить среди прочих сваи с увеличенной опорной площадью в виде различного рода уширителей, винтовых плоскостей, раскрывающихся лопастей и т. д. Такие сваи дают возможность более полно использовать прочность тела сваи, что значительно увеличивает удельную несущую способность свай. В работах Алексеева А. И., Бойко И. П., Грутмана

М. С., Зворыкина А. К., Колоколова Е Ы., Луга А. А., Тена И. А., Во-робкова Л. Е , Плахотника А. И., Чернышёва И. Г., Тетиора А К , Анненкова А. Е , Фё клина а И. и др. доказано, что сваи, имеющие уши-рители на конце сваи или по длине ствола, более эффективны, чем гладкие призматические иди цилиндрические сваи. За счёт увеличенной плодади опирания они обладают повышенной несущей способностью при уменьшенном расходе материала. Наибольший эффект получается при размещении уширителя в более прочных слоях грунта В этом случае несущая способность сваи возрастает пропорционально увеличению площади уширения.

Перечисленные выше авторы в основном занимались исследованиями одиночных свай с уширениями, лишь незначительная часть работ посвящэна фундаментам с использованием таких свай. Комплексных исследований напряженно-деформированного состояния основания свайного фундамента с применением свай с увеличенной опорной зоной до настоящего времени не проводилось.

Обзор теоретических работ показал, что существующие методы расчёта свайных фундаментов различаются в зависимости от принятой модели грунтового основания.

Широкому применению теории упругости к решению вопроса об осадке свай способствовали работы Ы. И. Горбунова-Шсадова и Е А. Кофмана, в которых была развита задача Е. Милана и Р. Миндлина о напряжениях и деформациях, возникающих от сил, приложенных внутри упругого полупространства. В работах Сивцовой Е. П. вопрос об осадке свай бьш рассмотрен с использованием решения Р. Миндлина вначале при условии полного прилипания грунта к боковой поверхности свай, а затем с учётом возможности развития зон проскальзывания.

Возникновение проскальзывания сваи в грунте также учёл в своей работе Е Г. Федоровский. Такое решение с использованием теории упругости до настоящего времени следует признать наиболее современным. Теория упругости сама по себе не может отразить всех, даже основных особенностей деформации грунтов основания свай. Нелинейная зависимость осадки от нагрузки объясняется развитием условий предельного равновесия как на боковой поверхности свай, так и под их пятой.

Расчёт осадок свай с учётом развития зон предельного равновесия под пятой рассмотрен в работах Березанцева Е Г. и Гольдштей-на Ы. Е Одними из последних Лапидус Л. С. и Лапшин Ф. К. разработали выражение для определения осадки сваи при развитии областей предельного равновесия под её пятой.

Экспериментальные методы исследования позволяют более глубоко изучить процессы, которые представляют наибольший интерес. К настоящему времени существует большое количество работ, в которых изложены рекомендации по расчёту свай и свайных фундаментов с использованием новых конструкций свай. Чаще всего эти рекомендации выражаются в эмпирических формулах, основанных на экспериментальных данных. Многие авторы в той или иной мере копируют формулу строительных норм, представлявшую собой простое суммирование несущей способности по боковой поверхности и за счёт отпора грунта под наконечником.

Анализ выполненных работ показал необходимость исследования характера и особенности работы сзай с раскрывающимися лопастями в составе фундаментов.

В третьей главе описана методика и проанализированы результаты испытаний моделей лопастных свай в составе различных фундаментов в лабораторных условиях.

Модели свай изготавливались из дюралюминиевых труб в масштабе 1/10 по отношению к натуральным размерам. Констругадаи модельных лопастей выполнялись ввиде точной копии их натурального прототипа по форме и геометрическим размерам с целью изучения процесса раскрытия лопастей при погружении свай в грунт.

Для исследования вопросов, связанных с выбором оптимального фундамента изменялось количество свай в фундаменте (3-5) и расстояние между сваями от 4с1 до ой (¿-диаметр сваи).

При испытании маломасштабных фундаментов из лопастных свай были поставлены следующие основные задачи:

1. Установить зависимость осадки от нагрузки для свайных кустов при различном количестве свай и различном расстоянии между ними:

2. Определить соотношение величин нагрузок, воспринимаемых боковой поверхностью свай и уширенным наконечником в зависимости от стадии нагружения;

3. Получить качественную картину распределения напряжений в активной зоне фундаментов из лопастных свай.

• Испытания модельных фундаментов проводились в лотках с заранее приготовленной грунтовой смесью с заданными физико-механическими характеристиками. Кагружение фундаментов выполнялось статической нагрузкой при помощи двухрычажной установки. При этом каждый фундамент испитыеалея только один раз после определенного

«рока "отдыха" т. к. при повторном испытании фундамента на результат оказывает влияние уплотнение грунта от предыдущего загруления.

Перемещения свай в фундаментах измеряли« при помощи прогибо-иеров, а усилия, действующие на сваи и напряяения в активной зоне грунта определялись теизометрическиуи приборами.

По результатам испытаний построены графики зависимости осадки от нагоузки для кустов из трех, четырех и пяти свай при расстоянии между сваяш 4(1. Кроме того получены аналогичные результаты испытания кустов кз четырех лопастных свай при расстоянии между сваями 4<1. 15с1 и ос), а также кустов из четырех свай без лопастей.

Исследованиями напряженного состояния оснований определена качественная картина изменения напряжений около свай к под фундаментами с период кагрухения. Построены графики напряжений под сваей и в центре грунтового массива куста из четырех лопастных свай. Определена зависимость бокового давления на сваю от нагрузки на фундамент.

2 результате проведенных исследований на маломасштабных фундаментах из лопастных свай установлено:

- максимальная несытная способность лопастной сваи достигается в кусте о четьлэьмя сваями, при расстоянии между ними М-,

- несущая способность сваи в составе куста при предельно допустимых осадках на 251 больше чем у одиночкой сваи;

- при рабстр лопастной сваи в песках средней крупности ее несущая способность до осадки 1.5см складывается из лобового сопротивления грукта и сил трения по боковой поверхности, при увеличении осадок, нарастание несушей способности происходит только за счет отпора грунта под лопастлкк;

- г.ри внедрении лопастной сваи в песчаный грует в нижней половине ствола образуется разрыхленная зона вследствие осыпания грунта в образовавшиеся пустоты после раскрытия лопсстей. а уплотненная зона. в таких груктах образуется только иод лопастями свай;

- сакмэкше напряжения в грунге непосредственно под лопастями и в центре куста на этом ли уровне значительно отличается друг от друга, выравнивание напряжений лсд Фундаментом происходит на удалении 1.50 от :фовня лопастей (0-ус лозный диаметр угарения):

- боковая поверхность свай иоадтывает норкзльчое давление грунта только с внутренней стороны куста;

- высота сжимаемой толщи основания под кустом кз лопастных сьай составляет более 40.

'Зетвертая глава посвящена комплексным экспериментальным исследованиям работы кустов из свай с раскрывающимися лопаптями в полевых условиях.

Проведённый обзор сушрствущих методов расчёта и анализ экспериментальных исследований показали, что несмотря на большое количество работ, поовяшённых изучению свайных фундаментов, сир недостаточно исследовано наггрякечно-деформированное оостояя:;э фун-дамонтов.с использованием свай с лопастями, а также нет эффективного метода расчёта несущей способности и осадки таких фундаментов, и поэтому сдерживается их применение в массовом строительстве.

Исследование налряя&нно-доформироваяного состояния а основании кустов проводилось в натуральных условия:: на опытных площадках в г. Тюмени. Для зеперименгоз использовались сваи из стальных труб диаметром 325 мм длиной 4,5 м. На концах свай шараирно крепились четще лопасти длиной ЗОС мм и 400 мм. Ялопэдь опирания каждой сваи соответственно составила 0,44 и 0,55 кв. и. Погружались сваи на глубину 4 м. Расстояние между осями свай в кусте принималось равным 4й и 6<3 (<3-диаметр ствола сваи).

Целью экспериментов было установление характера распределения контактных напряжений по боковой поверхности и под лопастями свай, величины действующих напряжений и деформаций грунта в центре куста и под сваями, а такае величина несущей способности куста иь лопастных свай при различном расстоянии между сваяни и различной площади ушрения.

Статические испытания натурных сгай в составе кустов проводились в соответствии с ГОСТ 5686-78 на опытных площадках, сложенних слабклш водонасышеиными суглинками со следувлцага фиьико-мехони-ческики свойствами: площадка 1 - суглинок мягкопластичный, толак-КОЙ 7 М..Л«19,6 кн/м*; И-272; ;р-14%; Л-О.бб, Бг-0,95; е-0.75;

V -21* с-25кПа; Е-8 КПа; площадка 2 - суглинок мягкопласгичный, толщиной 9 м, * -18,7 кН/м2; У-31%; Лр-15,9Х; Л- 0,54; Зг-1; е-0,82; V -9°; с-20 кПа; Е-У Ш1а.

Результаты проведённых олытов показали, что куст из четырех лопастных свай с расстоянием между ними 4(1 и площадью ушрения 0.56 га. м. при осадках 5-8см имеет ча 20Х большую несущую способность по сравнению с кустом, в котором расстояние кггду осями свай равно 6д. Уменьшение ллошади тшрггшя сваи на 272. приводит к снижению несущзй способности куста на 16Х. Графики зависимости "осадка-нагрузка" для. различных кустов приведены на рис. ¡. йа графиков видно,

Н А Г Р У 3

(кН).

800 1000 1200 1400 1600 1800 ................"И........................

9.0

Рис. 1. Графика зависимости ОСАДКА,-НАГРУЗКА длх кустов иэ 4-х свай с лопастями: 1—при рас. между свалии 6(1 а пл.уш. 0.44ы*; 2-при рас. 6с1 я пл. уш. 0.56м1; ,3-при расст. 4<1 и пл.уш.0.56«*

что несущая способность куста при расстоянии между сваями б<1 больше , пока осадка не-превышает 3 см. При больших осадках график,относящийся к кусту с расстоянием между сваями 4<3, имет более пологий характер по сравнению с другими графиками. Конечная осадка куста величиной 8см, полученная при испытании, еще не является предельной для фундамента

На рис.2 приведены графики зависимости осадки от нагрузки для одиночной лопастной сваи и свай в составе кусток с расстоянием между осяьм 6<3 и 4с1. Сравнивая полученные результаты, видно, что свая в составе куста при расстоянии 6с1 до осадки 1 см погружается в грунт аналогично одиночной свае. Свая в составе куста при расстоянии мевду осями 4с1 имеет значительно большую несущую способность по.сравнению с одиночной сваей. Максимальная разница при осадке 7 см составляет 50%.

Проведённые опыты по определению характера и величины действующих давлений на контакте с боковой поверхностью, представленные на рис.3, позволили установить, что нормальные напряжения по стволу сваи очень неравномерны. Максимальные напряжения получены на глубине 3 м. От 3 м до 4м в еоко над лопзстяьщ давление на ствол ослаблено, т. к., здесь возникает разрежение из-за значительного

нагрузка (*н).

_| и.У' ' ' ' ' 1 ' ' 1 ' ' 11 м М 1 1 1 1 1

: 1 \\ !

1 V \\ 1

• • А \ }\

1 • | А \г \з ...........

...........

1 —- .} \

7.0 8.0 9.0 *

Рис. 2. Графики зависимости ОСАДКА-НАГРУЗКА 1 -для одиночной свая ( опыт Малъшпсина А.1Р;

2- для свои я составе куста при расс. между

саапга ; 3—то же при расстовяии А& .

Рис. 5. Нормальные контактные напряжения по бохоэоа поверхности оваЭ внутри куста ( 1 ) па атаяах нагружевкя. Т-в?1.!*; 2-1411-.Н; 3-'35 кН; 4-250яН; £-314x1!; б-ЗбЗхИ.

превышения осадки свай над перемещениями ителосвайкого грунта. При изменении расстояния между сваями характер деформирования контактного слоя качесвенно и количественно отличается. Увеличение расстояния приводит к уменьийнмо деформирования грунта ьокруг сваи и перемещения грунта вдоль сваи более равномерны. Характер напряжённого состояния грунта вдоль ствола при изшнении расстояния между сваями качественно остаётся неизменным. Боковая поверхность свай внутри куста больше напряжена чем поверхность снаружи. При расстоянии пожду евьями 6<1 эта разница меньше.

Распределение снимающих напряжений под сваей в составе куста в зависимости ст нагрузки на неё при расстояниями между осями свай 4с! показано на рис. 4. При начальной нагрузке на сваю 33 кН наблюдались напряжения до глубины 1.5 м от уровня лопастей. Перемещения грунта контактной ьоны от этой нагрузки составит лишь доли миллиметра. Это говорит о том, что основу напряжений ка этом этапе составляет давление поровой вода Нарастание напряжений под сваей до нагрузки 87 кН имеет линейный характер. Увеличение нагрузки приводит к искривлению графиков напряжений в зависимости от глубины. Наиболее интенсивное нарастание налряжнпй происходит в слое от 4 до 4,5 м. Причём на каждом последующем этапе напряженная прирастают в большей степени. Из сравнения гргфиков изменеяния напряжений и перемещений в слоях грунта под сваями установлено, что характер искривления графиков напряжений совпадает с изменением перемещений до того момента, '.тогда величина осадки Злижайшего к лопастям слоя толщиной 25 см не превышает 1 см, и контактные напряжения на лопастях меньше 100 кПа (Рис.4 и 5). С увеличением давления на грунт графики, показывающие падение напряжений с глубиной, приобретают характер выпуклой кривой на глубине ст 4 до 5 м. Характер кривизны графиков перемещений грунта под сваями н« изменяется и остаётся вогнутым за весь период нагружелия.

Изменение характера графиков напряжений по отношению к графикам перемещений в слое, близком к лопастям свай, га последних этапах нагруления говорит о качественном изменении в структ:те грунта под сваями, когда для стабилизации осадки 'Требуется более значительное перемещение частиц грунта и уплотнение всех контактирующих зон, испытывающих сжимающие напряжения. Пластические деформации грунта под сваями составляют основную часть дэформирования контактного елся. Уплотнение мягкоплаптичного ьодокасыкзнного суглинка не может был значительным, не некоторые изменения механических характеристик грунта наишцо. т.к. изменение пропорциональности

соотношения напряжений и деформаций свидетельствует об изменении деформационных свойств материала

Исследуя центральную зону куста, установлено, что межсвайный грунт при статическом нагружении перемещается значительно меньше, чем погружаются сваи. Только в начальный период нагружения, когда перемещения свай очень малы, деформации грунта верхних слоев очень близки по значению к осадкам свай. Величина перемещений слоёв межсвайного грунта при расстоянии между сваями в кусте Ад в четыре раза больше, чем в кусте с расстояниями между осями свай 6с1. Кроме того, увеличение расстояния между сваями от 4с1 до б<1 приводит к тому, что верхние слои межсвайного грунта на глубине до Зм в процессе нагружения испытывают деформации разуплотнения.

Вертикальные сжимающие напряжения в центре куста в зависимости от нагрузки на куст показаны на рис. 6. На всех этапах нагружения грунт в центре куста испытывает сжимающие напряжения. Максимум напряжений получен на глубине 5 м. На этой же глубине вертикальные напряжения сжатия под сваями и в центре куста равны между собой. Слой грунта на глубине от 5 до 6 м имеет равномерное напряженное состояние в течение всего периода нагружения. В подстилающих слоях ниже 6 м напряжения сжатия в центре куста чуть больше, чем под сваями.

Из анализа результатов измерения перемещений грунта в активной зоне под фундаментом установлено, что слой грунта, контактирующий с лопастями свай деформируется неравномерно. Непосредственно под сваями перемещения грунта в два раза больше, чем в центре куста. Выравниваются перемещения основания фундамента на глубине 5м, и слой грунта до глубины бм в пределах границ куста деформируется единым массивом. Отношение перемещений слоёв грунта в центре куста к осадке свай при расстоянии между сваями 4d независимо от величины нагрузки является величиной постоянной. Из экспериментов также определено, что лопасти соседних свай в кусте, расположенные друг к другу гораздо ближе, чем сами сваи, не вносят резких изменений в перемещения грунта в центре куста между лопастями.

В пятой главе изложен метод определения напряженно-деформированного состояния основания куста из свай с раскрывающимися лопастями. Предлагаемый метод основан на результатах экспериментальных исследований работы свайных фундаментов из лопастных свай, которые позволили принять при расчёте идеальную упругопластическую среду в качестве модели грунтового основания фундамента В настоящей работе для расчёта основания был принят численный метод, основанный на МКЭ. Принятая модель грунта приводит к минимальному количеству определяемых параметров и применима для моделирования слабых глинистых грунтов. Расчёт выполнен по программе "PLAST", разработанной на кафедре ОШ1 Пермского государственного технического университета

Использование конечноэлементной дискретизации при^решении нелинейных задач приводит к системе совместных уравнений (1):

Н *<Р - f - 0. (1)

На любом шаге итерационного процесса решения это уравнение не будет удовлетворяться, пока не будет достигнута сходимость. Можно предположить, что существует система остаточных сил:

Г - Н *? - f * 0. (2)

В программе решение системы уравнений (2) проводится на основе метода начальной жёсткости. Матрица жёсткости определяется для начального пробного значения'^ ". Таким образом исключается полная факторизация собранных уравнений. В этом случае полное решение уравнений нужно выполнять только для первой итеррашга, а последующие аппроксимации нелинейного решения можно осуществлять, пользуясь выражением

ДЧ>Г- -СН(<Ро)]"'*Ч>(Уг). (3)

Поскольку матрица жёсткости Н(<Л>) используется на каждом этапе вычислений, то преобразованные уравнения могут храниться в этом факториаованном виде, а для последующих решений потребуется только преобразование V С*С*"> вместе с обратной подстановкой. Это существенно сокращает вычислительные затраты на одну итеррацию, но и снижает скорость сходимости.

Конечноэлементное выражение программы может быть получено за счёт использования принципа возможной работа Рассматривая тело, в котором внутренние напряжения " & ", распределённые нагрузки на единицу объёма "Ь" и прилагаемые внешние силы "Г' образуют равновесное поле, испытывающее возможные перемещения по произвольной схеме которые приводят в результате к возникновению соот-

ветствующих деформаций "££*•• и внутренних перемещений "84*".

Тогда по принципу возможной работы требуется, чтобы

- 8сТ*Г - 0. (4)

О.

В атом случае метод дискретизации по нормальным конечным элементам приводит к получению следующих выражений для перемещений и деформаций в пределах любого элемента:

51)*- N *8с1*; В *5<1* . (5)

В выражении (5) "14" и "В" обозначают соответственно матрицы-функций формы и упругих деформаций. Тогда процесс сборки элементов даёт

£6 с1**( Вт* 6 - (Г*Ь)с1й - 8 <Г*Г - 0. (6)

а

где интегрирование по всему объёму твёрдого тела пердставляет собой сумму вкладов отдельных элементов.

Поскольку данные выражения должны быть действительны для любого произвольного значения" с! " , то

$Вт*Ск1а - (Г + Ь <1.2. ) - О (7)

Л &

Для решения системы линейных уравнений (7) в программе использован фронтальный метод (вариант прямого метода исключения Га-

усса). Цри решении этим методом составление уравнений и исключение переменных производится однЬвременно. Формирование матрицы жёсткости всей системы не производится, а коэффициенты каждого очередного исключаемого уравнения, модифицированные в процессе исключения предыдущих уравнений, выводятся во внешнюю память, а на месте исключённого уравнения формируется новое. Достоинство этого метода решения систем линейных уравнений в том, что он позволяет существенно экономить оперативную память при использовании элементов высокого порядка.

При решении нелинейных задач выражение (7) не будет удовлетворяться в общем случае на начальной стадии вычисления

у - $в*вая. - (г + $мт* ь аа) + о (8) а а

Для упругопластичного случая жёсткость элементов будет постоянно изменяться, и мгновенное приращение напряжений и деформаций будет связано выражением:

<3в - Юер-аб ,где (9)

Пер - матрица упругопластических свойств.

В качестве расчётной области МКЭ принята плоская фигура, при формировании которой учтено, что в процессе погружения свай происходит образование зон уплотнения грунта у боковой поверхности свай и под лопастями. Для дискретизации исследуемой области использовались квадратичные изопараметрические элементы, имеющие восемь узлов, в пределах которых грунтовая среда принималась однородной.

В соответствии с физическим смыслом МКЭ свайный фундамент и окружающий грунт рассматриваются как единая система. При условии полного прилипания на контакте свая-грунт решается вопрос о сжимаемости самой сваи и перераспределение на неоднородное основание нагрузки, приложенной к свае.

В результате расчёта определены компоненты нормальных и касательных напряжений в конечных элементах, а также перемещение узлов в плоскости рассматриваемой области.

Сравнение результатов счёта проводилось с данными натурного эксперимента, проведённого на кусте из 4 лопастных свай, заглублённых на 4 м при расстоянии между сваями А± На рис. 7 приведены графики зависимости осадки от нагрузки, полученные эксперименталь-

нагрузка (вн).

но (кривая 1) и определённые расчётом (кривая 2). Расхождение результатов в пределах осадок куста 2-7см не превышает 82.

Достаточное для практического применения совпадение расчётных и экспериментальных результатов позволяет использовать упомянутую программу на основе МКЭ для прогнозирования работы свайного фундамента с использованием свай с лопастями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основе комплексных экспериментально-теоретических исследований взаимодействия лопастных свай в составе кустов с грунтовым массивом при действии вертикальной нагрузки сделаны следующие выводы:

1. Наибольшая несущая способность куста из четырех лопастных свай длиной 4м достигается при расстоянии между осями свай равном четырём диаметрам ствола При этом несущая способность сваи в составе куста при осадке 7см в 1,5 раза выше, чем у одиночной лопастной сваи;

2. В процессе нагружения фундамента доля несущей способности лопастной сваи за счёт лобового сопротивления увеличивается по ме-

ре возрастания осадки, а за счёт трения по боковой поверхности -снижается. Для лопастных свай длиной 4м с площадью опирания 0,553 кв. м. в составе куста, погружённых в мягкопластичные водонасыщен-ные суглинки, лобовое сопротивление при осадке куста 1см составляет 12% общей несущей способности, а при осадке 8см - 38%. Абсолютное значение несущей способности свай за счёт трения по боковой поверхности не исчерпывается на начальных этапах нагружения, а возрастает по мере увеличения осадки куста до 3 см и далее остается почти неизменной;

3. При загружетш куста вертикальной нагрузкой перемещения грунта около свай и в центре куста всегда меньше осадки свай. В кусте из лопастных свай длиной 4м при расстоянии между ними 4d отношение перемещений слоев грунта в центре куста на глубине от Зм до 7м к осадке свай является величиной постоянной для каддого слоя грунта, независти от величины нагрузки;

4. При расчёте кустов свай с лопастями по 2-ой группе предельных состояний представление свай и грунта между ними в виде условного фундамента на естественном основании, деформирующегося единым массивом, приводит к результатгм, которые значительно отличаются от полученных в эксперименге. Осадки, определённые по рекомендациям строительных норм, отличаются от экспериментальных в среднем на 35Z;

5. Применение программы "PLAST" при моделировании основания в виде идеальной упругопластической среды позволяет определять несущую способность и прогнозировать осадки фундаментов из лопастных свой с учётом неоднородной уплотнённости грунтов основания. Предложенная методика расчёта на основе МКЭ достаточно точно согласуется с экспериментом.- Расхождения в результатах не превышают 8Z;

5. Внедрение результатов разработок при проектировании и строительстве четырёх компрессорных станций в Западно-Сибирском регионе позволило получить экономический эффект 368 тыс. руб. (цены 1984 г.).

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в работах:

1. Бай В. Ф. Исследования напряжённого состояния основания кустов свай с лопастями. //Проблемы свайного фундаментостроения. Труды 3-ей .Международной конференции. /Минск, 1992. с. 19-20.

2. Чикииев В. Ч , Бай Е Ф. Экспериментальные исследования работы к/ста из четырёх свай. //Проблемы и практика строительства в Тюменской области. Тезисы доклада областной конференции. /Тюмень, 1990. с. 30-31.

а Бартоломей А. А., Чикишев ЕМ., Бай Е Ф. Результаты экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния глинистых грунтов в основании свай с раскрывающимися лопастями в составе кустов. //Современные проблемы свайного фундаментостроения. Труды 2-ой Всесоювной конференции. / Одесса, 1990, с. 84-86.

4. Чикишев Е М., Бай Е Ф., Малышкин А. П., Пиков Е С., Малюгин Е П. Экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния грунтов в основании кустов свай с раскрывающимися лопастями. //Основания и фундаменты в условиях Урала: Межвуз. сб. науч. тр./ЦермПИ, Пермь, 1S90, с. 53-60.

5. Малышкин А. П. , Бай Е Ф., Филисюк Е Г. Надёжность свайных фундаментов компрессорных станций. //Прогресс и безопасность. Тезисы Всесоюеной конференции/Тюмень, 1990, с. 124-125.

6. Бартоломей Д. А., Чикишев ЕМ. , Бай Е Ф., Малюгин Е П. Особенности работы кустов из свай с лопастями в глинистых грунтах. //Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов. 3-е Всесоюзное совещание-семинар. /Владивосток, 1991, с. 47-49.

7. Чикишев Е М., Бай Е Ф., Малышкин А. П., Малюгин Е П. //Работа горизонтально нагруженной лопастной сваи. //Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов. 3-е Всесоюзное совещание-семинар/ Владивосток, 1991, с. 227-229.

8. Бартоломей А. А., Чикишев Е М., Пиков Е С., Бай Е Ф.. Малышкин А. П., Малюгин Е П. Работа свай с лопастями в составе различных фундаментов// Труды международной конференции по фундамен-тостроению./КНР. Няньджинь, 1992. с. 37-42.

9. Чикишев Е М., Бай Е Ф., Малышкин А. П. О характере деформирования основания свайных кустов из свай с лопастями. //Проблемы свайного фундаментостроения. Труды 3-ей международной конференции. /Минск, 1992. с. 75-77.

10. Мухамедов Ф. Е , Конкин Е С., Чикишев Е М., Малышкин А. П.. Бай Е Ф.. Друшлчк А. И., Корнеев Е А. Забивная сзая. а/с N 1747597 М.: ВНИИГГО, 1992.

Сдано в печать 22.9.93.

Формат 60x84/16. Объем 1,25 п. л.

• Тираж 100. Заказ 1296.

Ротапринт Пермского государственного технического университета -