Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема повышения эффективности свайных фундаментов для каркасных зданий и сооружений находится постоянно в поле зрения исследователей и решается в основном по двум направлениям: совершенствованием конструктивных решений фундаментов и совершенствованием методов их расчета.
Выполненный за последние 20 лет автором анализ многих сотен проектов фундаментов промышленных зданий и сооружений каркасного типа, возведенных в различных городах России, а также на Украине, в Казахстане и Белоруссии, показывает, что в среднем каждый четвертый объект запроектирован на фундаментах из свай. Из них 95 составляют забивные сваи в виде кустов с монолитным ростверком. Вместе с тем кустовой свайный фундамент в силу особенностей конструкции при высокой надежности и индустриальное далеко не всегда является рациональным и эффективным конструктивным решением. Наличие ростверка и высокая стоимость забивных свай редко позволяют такому фундаменту быть конкурентноспособной конструкцией по сравнению с другими типами фундаментов для зданий и сооружений массового строительства - по стоимости и по расходу материалов на 1 Ш несущей способности он имеет довольно низкие показатели. Так, даже при нагрузке на фундамент 300-500 кН с эксцентриситетом приложения 0,1-0,4 м ("легкие" одноэтажные каркасные здания и опоры трубопроводов) зачастую применяются фундаменты под колонны из четырех и более забивных свай с ростверком объемом до 2-4 мЗ. фи этом несущая способность сваи, как правило, не менее 250-300 кН, т. е. "запас" достигает 200-300%.
Эти обстоятельства обусловили поиск ноеых, более совершенных конструкций свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, в том числе создание безростверковых свайных фундаментов, которые лишены основного недостатка кустовых свайных фундаментов - ростверка, а также необходимости выполнения опалубочных работ и работ по откопке котлованов и обратной засыпке.
Принципиальная эффективность безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений понималась и доказывалась многими исследователями, что и привело к созданию целого ряда таких конструкций, которые применялись в основном в порядке эксперимента. Однако созданием конструктивных решений безростверковых свайных фундаментов решается лишь часть проблемы.
Важнейшими условиями эффективного применения таких фундаментов являются выявление наиболее эффективных и рациональных конструкций, которые можно рекомендовать для массового применения, а также разработка надежных инженерных методов их расчета, в том числе с использованием данных скоростных методов изысканий. Все это требовало проведения обширного комплекса целенаправленных исследований.
В этой связи автор диссертации с 70-х годов занимался вопросами поиска и разработки эффективных конструкций безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, исследования особенностей их работы в грунте и разработки общей методологии их расчета на комплексное воздействие нагрузок.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР и ОКР НИИпромстроя (NN государственной регистрации 01.870088305, 01.870088304, 01.870088327, 01.880090255, 01.82504946,01.870007682), программой Госстроя БАССР "Стройнаука-2000" и целевой комплексной научно-технической программой Госстроя СССР ОЦ. 031.055.16Ц (задание 06 и 07).
Цель работы - комплексное исследование эффективных безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, включающее разработку принципов конструктивной эффективности таких фундаментов, изучение их напряженно-деформированного состояния под нагрузкой и разработку общей методологии их расчета на вертикальную и горизонтальную нагрузки, в том числе с использованием данных статического зондирования грунтов.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач:
анализ тенденции развития проблемы безростверковых свайных фундаментов в промышленном строительстве, проведение технико-экономических исследований и определение на этой основе наиболее эффективных и перспективных конструктивных решений таких фундаментов;
исследование особенностей напряженно-деформированного состояния и закономерностей наступления предельного состояния системы "основание-фундамент" при работе эффективных конструкций безростверковых свайных фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки, выявление факторов, обуславливающих сопротивление основания фундаментов при комплексном воздействии этих нагрузок, с последующим выбором модели основания и построением расчетных схем;
разработка общей методологии и практических методов расчета безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и
сооружений на вертикальную и горизонтальную нагрузки, в том числе с определением расчетных параметров грунта по данным статического зондирования;
- разработка нормативно-технической и методической документации
по проектированию и выбору эффективных конструкций безростверковых
свайных фундаментов с комплектом прикладных программ для их автома
тизированного проектирования на ЭВМ.
Научная новизна работы. Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
впервые выполнено обобщение и дана классификация безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений;
сформулированы конструктивные принципы рациональных типов безростверковых свайных фундаментов промышленных, зданий и сооружений и предложены эффективные конструкции фундаментов в виде штампонабив-ных свай переменного по длине сечения и комбинированных свайных фундаментов;
изучены закономерности поведения таких фундаментов в грунте и особенности их напряженно-деформированного состояния при действии вертикальной и горизонтальной нагрузок, в том числе и при совместном их действии, определены критерии предельного состояния системы "фундамент-основание";
установлена взаимосвязь между напряжениями на поверхности контакта фундаментов с грунтом и соответствующими параметрами сопротивления грунта, получаемыми статическим зондированием, на основании чего разработаны методы определения расчетных характеристик грунта, используемых для расчета безростверковых свайных фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки, по данным статического зондирования;
разработаны схемы взаимодействия с грунтом безростверковых свайных фундаментов из пирамидальных пггампонабивных и комбинированных свай, на основе которых разработаны практические методы расчета таких фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки;
разработан и реализован на практике комплекс программ для автоматизированного проектирования на ГОВЫ безростверковых свайных фундаментов под колонны промышленных каркасных зданий и сооружений.
Практическое значение. Разработаны эффективные конструктивные решения безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений в виде пирамидальных пггампонабивных свай и комбинированных свайных фундаментов, которые целесообразно применять
взамен кустовых свайных фундаментов с ростверком при нагрузке на фундамент до З МН, что позволяет за счет ликвидации ростверка, земляных и опалубочных работ снизить сметную стоимость и расход материалов на единицу несущей способности на 25-35Z.
Рааработаны методы расчета безростверковых свайных фундаментов с использованием данных статического зондирования, что обеспечивает существенное сокращение сроков и стоимости обоснования выбора проектных решений и собственно проектирования за счет исключения трудоемких и дорогостоящих статических испытаний фундаментов.
Реализация предложенных разработок послужила основой для решения крупной народнохозяйственной задачи - применения в промышленном строительстве безростверковых свайных фундаментов взамен кустовых свайных фундаментов с ростверком. В БашНИИстрое разработан полный комплект механизмов, оборудования и оснастки, а также полный перечень нормативно-технической и технологической документации по проектированию и устройству фундаментов.
Результаты исследований нашли отражение в общесоюзных нормах по проектированию фундаментов-опор трубопроводов (Пособие по проектированию отдельно стоящих опор и эстакад под технологические трубопроводы (к СНиП 2.09.03-85)), в региональных нормах (Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах) и трех рекомендательных документах НИИпромстроя.
На защиту выносятся:
принципы конструктивной целесообразности и эффективности безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений с конкретными предложениями по эффективным конструкциям таких фундаментов;
результаты исследования напряженно-деформированного состояния системы "фундамент-основание" при работе бевростверковых фундаментов в виде штампонабивных пирамидальных и комбинированных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки, закономерностей формирования их сопротивления и критериев достижения предельного состояния;
методика использования данных статического зондирования для расчета таких фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки;
методы расчета фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки;
практические предложения по проектированию безростверковых свайных фундаментов, в том числе с использованием ПЭВМ.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались и публиковались в трудах международных конференций (Копенгаген, 1995; Минск, 1992; Саратов, 1994), всесоюзных и республиканских конференций и совещаний (Свердловск, 1977,1983, 1987; Тюмень, 1977; Караганда, 1980; Чимкент, 1986; Сумы, 1986; Уфа, 1981, 1987; Одесса, 1990; Владивосток, 1986, 1991), а также десяти ежегодных научных конференций НИИпромстроя (Уфа, 1977-1986).
Содержание проведенных работ опубликовано в 80 статьях. Результаты исследований защипаны девятью авторскими свидетельствами на изобретения.
^едрение в производство. Результаты исследований внедрялись в строительных организациях гг. Уфы, Стерлитамака, Челябинска, Омска, Тобольска. Построено более 40 промышленных объектов на безростверковых свайных фундаментах, проекты для которых разрабатывались с использованием выполненных исследований. Экономический эффект составил около 2 млн. руб. в ценах 1984 г.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы из 275 наименований и двух приложений. Она содержит 299 страниц машинописного текста, 107 рисунков на 88 страницах и 38 таблиц на 49 страницах.