Введение к работе
Актуальность проблемы. При возведении зданий и сооружений со значительными эксплуатационными нагрузками (высотные объекты, крупногабаритные сооружения для тяжелого технологического оборудования, мосты, путепроводы и т.д.) в сложных инженерно-геологических условиях наиболее часто используются свайные фундаменты. Во многих случаях это единственно возможное техническое решение для возводимых объектов в грунтах с недостаточной несущей способностью. Однако, возведение свайных фундаментов всегда связано со значительными материальными и технологическими затратами. Ведущие специалисты в области свайного фунда-ментостроения на Техническом комитете (ТС-18) Международного сообщества по механике грунтов и геотехнике (Гамбург 1997) отмечали, что на рубеже третьего тысячелетия главной задачей перед исследователями является вопрос оптимизации конструктивных решений и проектирования свайных фундаментов по пути снижения их общей стоимости и материалоемкости.
В настоящее время при строительстве зданий современных конструкций характерной особенностью является передача на фундамент, кроме вертикальной нагрузки, значительного горизонтального усилия. Выполненные многочисленными авторами экономические сравнения вариантов фундаментов в различных грунтовых условиях свидетельствуют о высокой эффективности применения фундаментов из свай распорного типа (клиновидные, пирамидальные, конические и т.д.). Однако в отечественной и зарубежной практике методика расчета фундаментов из свай распорных конструкций разработана недостаточно. Это объясняется отсутствием в настоящее время комплексных экспериментальных исследований взаимодействия грунта и фундаментов из свай распертых конструкций. Имеющиеся методы определения несущей способности и прогноза осадок, рекомендуемые нормативными документами, дают результаты, которые значительно расходятся с экспериментальными данными.
В связи с этим необходима разработка новых методов расчета фундаментов из свай распорных конструкций, которые наиболее точно отражали бы сложное напряженное состояние грунтового основания. Экспериментально-теоретические исследования развития осадок и изменения несущей способности фундаментов из свай распорных конструкций лежат в основе разработки указанных методов и поэтому являются достаточно актуальными и необходимыми. Использование таких методов при проектировании фундаментов из новых прогрессивных конструкций свай будет иметь большое научное и народно-хозяйственное значение.
Целью диссертационной работы явилось решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающейся в разработке эффективных конструкций фундаментов из
свай распорных конструкций, во всестороннем изучении их взаимодействия с окружающим грунтом в составе различных типов фундаментов, создании общих методов по их расчету и во внедрении полученных результатов в практику проектирования и строительства.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Разработать, конструкцию свай распорного типа высокой удельной несущей способности на основе анализа и обобщения материала литературных источников.
-
Провести комплексные экспериментальные исследования взаимодействия грунта со сваями распорной конструкции, как одиночными, так и в составе кустов и ленточных фундаментов, при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок в различных грунтовых условиях на примере конических свай.
-
Разработать общую методику расчета осадок и несущей способности фундаментов из свай распорных конструкций на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок.
-
Провести численное исследование напряженно-деформированного состояния грунтов в основании фундаментов из свай распорного типа.
-
Разработать технические указания по проектированию, изготовлению и применению фундаментов из конических свай.
- ! і 6. Осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Методы и достоверность исследований. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности и подтверждены результатами наблюдений за работой свайных фундаментов в натурных условиях. В работе использовались современные теоретические методы исследования: аналитический аппарат теории упругости и пластичности, математические методы моделирования и теория планирования экспериментов. В экспериментах использовалась современная электронная аппаратура, текзометрические приборы и оборудование для статического зондирования грунта. Методики экспериментальных и теоретических исследований соответствуют действующим нормам, анализ полученных результатов отвечает современным требованиям.
Достоверность результатов натурных и теоретических исследований подтверждается большим количеством экспериментов (204 модельных и 89 полномасштабных опытов), а также практикой проектирования и строительства сооружений, возводимых на фундаментах из конических свай на слабых грунтах в гЛерми и Пермской области.
Получена хорошая сходимость результатов теоретических исследований и данных натурных испытаний. Несущая способность свайных фундаментов,
полученная расчетным путем при предельно допустимых осадках, отличается
на 10-И 5% от экспериментальных данных. .,,,
Научная новнзпа диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые для фундаментов из свай распорных конструкций комплексно решены следующие вопросы:
1.Разработаны новые конструкции фундаментов высокой удельной несущей способности из свай распорного типа. Научная новизна исследований подтверждена авторским свидетельством №.11552. Предложены и утверждены практические рекомендации по изготовлению, применению фундаментов из полых конических свай в развитие действующих требований СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».
-
Изучены основные процессы, происходящие в основании фундаментов из свай распорных конструкций при забивке, отдыхе и статическом за-гружении свай и свайных фундаментов. Выявлено влияние напряженно-деформированного состояния грунтов активной зоны на характер работы фундаментов при статическом нагружении.
-
На основании комплексных экспериментальных исследований выявлены основные закономерности распределения хонтакгаых напряжений по стволу конической сваи и вертикальных и горизонтальных напряжений в грунте; определены деформации грунта в основании одиночных конических спай и свай в составе кустов и ленточных фундаментов при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.
-
На базе экспериментально полученных основных закономерностей взаимодействия грунта со сваями, разработаны общие аналитические и численные методы расчета длительных и кратковременных осадок фундаментов из свай распорных конструкций в пылевато-глинистых грунтах, а также методы расчета их несущей способности.
5.0тработана технология изготовления и осуществлено опытное строительство сооружений на фундаментах го конических свай. Выполнены длительные наблюдения за осадками объектов, фундаменты которых запроектированы с применением методики автора.
Практическое значение работы. Диссертационная работа является частью комплексных исследований работы свайных фундаментов, проводимых на протяжении ряда лет на кафедре "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета.
Разработаны новые конструкции свай высокой удельной несущей способности, а также методика расчета и проектирования фундаментов из свай распорных конструкций, что позволяет качественно оценить работу одиночных свай и свайных фундаментов (кустов и лент) и прогнозировать их осадку в пылевато-глинистых грунтах. Применение этих разработок при строительстве позволяет существенно сішзить материалоемкость свай, трудоемкость работ нулевого цикла.
Разработаны рекомендации по применению и проектированию фундаментов из конических свай в развитие действующего СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», составлены рабочие чертежи на сваи и отработана технология их изготовления. Реальный экономический эффект от внедрения свайных фундаментов предложенных конструкций составил свыше 225 тыс.руб. (цены : 1984г.).
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на XXVTI-XXIX научно-технических конференциях Пермского государственного технического университета (Пермь, 1994-1998); на Ш, IV,Vh VI Международных конференциях по проблемам свайного фун-даментостроения (Минск, 1992; Саратов, 1994; Тюмень, 1996; Уфа, 1998); на Ш. Всесоюзном координационном совещании-семинаре по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов (Владивосток, 1991); на международных конференциях по фундаментостроению в КНР (Наньджинь, 1992), Сингапуре (Сингапур, 1992), Украине (Полтава, 1995; Одесса, 1997), Бельгии (Брюссель, 1997), Австрии (Вена, 1998); на ХПІ международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению в Индии (Дели, 1994); на XI Европейской конференции по механике грунтов и фундаментостроению в Дании (Копенгаген, 1995). Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей в Пермском государственном техническом университете по специальности "Мосты и транспортные тоннели" на стадии дипломного и курсового проектирования и в составе курса "Основания и фундаменты транспортных сооружений".
Личный вклад в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах многолетних исследований при непосредственном участии автора и выполнялась в соответствии с комплексной научно-технической программой "Архитектура и строительство" (з.-н. № 114) -"Расчет несущей способности и осадок свайных фундаментов по предельно допустимым деформациям с учетом реологических параметров основания в сложных инженерно-геологических условиях" и по единому заказ-наряду вуза, финансируемому из средств Республиканского бюджета (з-н. № 22) «Разработка основ теоретической модели напряженно-деформированного состояния свайных фундаментов на склонах, техногенных основаниях в сложных инженерно-геологических условиях Урала». . „ J . Постановка проблемы, формулирование цели и всех задач, поиск их решения путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, научные разработки и практические рекомендации, анализ полученных результатов и все выводы осуществлены автором.
Экспериментальные исследования проводились с участием сотрудников кафедры "Основания, фундаменты и мосты" ПермГТУ.
Автор выражает личную глубокую благодарность за научные консультации и постоянную поддержку члену-корреспонденту Российской Академии
/
паук, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, лауреату премии Совета Министров СССР, доктору технических наук, профессору, Бартоломею А.А., а также сотрудникам кафедры "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного, технического университета, оказавших помощь в выполнении исследований, и оформлении работы.
На защиту выносятся:,,, . ; , :. ч-
-
Анализ исследований работы эффективных конструтщий-'Свайных фундаментов в различных грунтовых условиях.
-
Результаты комплексных экспериментальных исследований взаимодействия одиночных конических свай, кустов и лет-очных фундаментов с массивом грунта при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.
3.Общая методика расчета осадок и несущей способности фундаментов из свай распорных конструкций на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок в пылевато-глинистых грунтах, в том числе с учетом реологических параметров грунта.
4. Результаты численного моделирования взаимодействия окружающе
го грунта и фундаментов из свай при нагружении вертикальной или гори
зонтальной нагрузкой.
-
Технология изготовления, погружения и область рационального применения полых конических свай.
-
Основные выводы экспериментальных и теоретических исследований и рекомендации по применению фундаментов из свай распорных конструкций.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 31 печатных работах. Результаты исследований включены в "Рекомендации по применению полых конических свай повышенной несущей способности в развитие требований СНиП 2.02.03-85." (М., 1995 г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 472 страницы, включая 38 таблиц, 142 иллюстрации, список литературы из 302 наименований и 3 приложения. Первая глава отражает состояние проблемы и основные пути её решения, во второй, третьей и четвертой главах приведены результаты комплексных экспериментальных исследований, пятая и шестая глава посвящены разработке теоретических методов расчета, в седьмой главе изложены практические рекомендации по применению фундаментов из свай распорных конструкций. -