Экспериментально-теоретические основы расчета фундаментов из свай повышенной несущей способности в сложных инженерно-геологических условиях Чикишев, Виктор Михайлович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Проблема оптимального проектирования и устройства фундаментов является одной из актуальных в области фундамсн-тостроеїшя. Особешю остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых свайные фундаменты являются экономически выгодными по сравнению с фундаментами на естественном основании и нередко единственно возможным типом фундаментов. Доля затрат на возведете подземных части зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет до 20%.

Большое распространение получили свайные фундаменты при строительстве объектов топливно-энергетического комплекса в Западно-Сибирском регионе, который уже на протяжении 30 лет является главной базой России по добыче нефти и газа. До 65% территории Западной Сибири сложено слабыми глинистыми грунтами большой мощности. Кроме того, особешюстыо данного региона являются суровые гфиродно-климятт.тарск:;е условия и расположение объектов в труднодоступных районах, отдаленных от баз стройиндустрии. В этих условиях свайные фундаменты устраиваются из забивных свай, которые позволяют механизировать нулевой цикл, сократить объем земляных работ, существенно облегчить производство работ в зимнее время.

Анализ показывает, что возведение свайных фундаментов из традиционных сплошных призматических свай в сложных инженерно-геологических условиях требует значительных капиталовложений, использования большого количества металла, цемента и других строительных материалов, что обуслов-иено малой удельной несущей способностью материала свай.

Использование эффективных конструкций свай с высокой удельной несущей способностью при обеспечении передовой технологии, комплексной механизации и высокой индустриальности работ по устройству фундаментов в сложных грунтовых условиях позволит повысить экономическую эффектив-

ность их устройства при одновременном обеспечении прочности и долговечности. Среди них заслуживают внимания сваи с различными уншрениями. Исследование работы этих свай и опыт их применения в строительстве показали, что сваи с уншрениями в виде раскрывающихся лопастей позволяют в большей мере использовать несущую способность материала сваи.

Однако сложность конструкций свай с лопастями и отсутствие комплексных экспериментально-теоретических исследований взаимодействия слабых глинистых грунгов и фундамеїггов из таких свай сдерживают их внедрение в массовом строительстве.

Проблема оптимального проектирования и возведения свайных фундаментов приобрела особую актуальность в связи с переориентацией строительного комплекса на рыночные отношения, когда повышается объективная заинтересованность всех подразделений отрасли в снижении затрат за счет уменьшения себестоимости выполняемых работ.

Целью диссертационной работы явилось решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающееся в разработке эффективных конструкций свай повышенной несущей способности для строительства на слабых глинистых грунтах большой мощности, всестороннем изучении их взаимодействия с окружающим грунтом при работе в составе различных фундаментов, создании на основе экспериментально-теоретических исследований методов их расчета и внедрении полученных результатов в практику проектирования и строительства.

Для достижении поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Обосновать необходимость совершенствования существующих конструкций свай повышенной несущей способности и традиционных методов их расчета при работе в составе различных свайных фундаментов на основе анализа и обобщения материала литературных источішков.

1. Разработать новые конструкции лопастных свай повышенной несущей способности и низкой материалоемкости.

2. Провести комплексные экспериментальные исследования взаимодействия грунта с забивными лопастными сваями при их работе в составе кустов и ленточных фундаментов при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок, в частности:

исследовать несущую способность и осадки фундаментов из лопастных свай;

исследовать процессы, происходящие в слабых грунтах при забивке и "отдыхе" одиночных лопастных свай и при их работе в составе кустов и ленточных фундаментов;

изучить закономерность распределения напряжений на контакте "свая-rpyirr", а также напряжений и деформаций в массиве грунта, взаимодействующего со сваями;

исследовать изменения физико-механических характеристик грунтов, окружающих сваи и свайные фундаменты;

выявить характер распределения нагрузки между сваями при работе в составе кустов и ленточных свайных фундаментов.

Проверить в производственных условиях работоспособность фундаментов из новых конструкций лопастных свай при экспериментальном строительстве.

5. Разработать методику расчета элементов свай с раскрывающимися лопастями на основе действительного взаимодействия лопастей с основанием как при забивке свай, так и при действии на них статической нагрузки.

6. Разработать технические условия на изготовление сваи повышенной несущей способности.

7. Разработать технические указания по применению забивных свай повышенной несущей способности.

8. Провести численное исследование напряженно-деформированного состояния фунтов в основании фундаментов из свай повышенной несущей способности при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.

9. Разработать методы расчета осадок и несущей способности фундаментов из свай повышенной несущей способности, устраиваемых на слабых грунтах.

10. Внедрить результаты исследований в практику проектирования и
строительства, обеспечив при этом сокращение трудозатрат и экономию
строительных материалов.

Методы и достоверность исследований. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертациошюй работе, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости, пластичности и нелинейной теории и подтверждены результатами наблюдений за работой свайных фундаментов в натурных условиях в Западно-Сибирском регионе. 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, тензометрические приборы и оборудование для статического и динамического зондирования грунта.

Достоверность результатов натурных исследований подтверждается большим количеством экспериментов, а также практикой проектирования и строительства сооружений, возводимых на фундаментах из лопастных свай на слабых грунтах в Тюменской области. Результаты теоретических исследований подтверждаются данными натурных исследований. Осадка и несущая способность свайных фундаментов, расчиташше по предложенным методам, отличаются не более чем на 15% от экспериментальных данных. Многолетние наблюдения за состоянием фундаментов показали, что отклонений фундаментов от проектного положения нет (1990,1993,1995 гг.).

Научная новизна диссертационной работы в том, что в ней впервые для фундаментов из свай с раскрывающимися лопастями на слабых глинистых грунтах, неразрывно друг от друга, комплексно, решены следующие вопросы:

1. Разработаны новые конструкции свай повышегаюй несущей способ
ности. Новизна исследований подтверждена авторскими свидетельствами
№1057623 (1983г.), 1086070 (1983г.), 1165100 (1985г.), 118705 (1985г.),
1170818 (1985г.), 1196452 (1985г.), 1198996 (1985г.), 11908997 (1985г.),
12285334 (1986г.), 1318003 (1987г.), 1332910 (1987г.), 1385668 (1987г.),
1692186 (1991г.), 1716842 (1991г.), 1741480 (1992г.). Эти сваи имеют в 1,5-3
раза большую несущую способность по сравнению с несущей способностью
традиционных забивных свай постоянного сечения. Увеличение несущей спо
собности достигается за счет создания в нижней части ствола уширсния в виде
раскрывающихся на любой заданной глубине лопастей, которые вовлекают в
работу дополшггелышй объем грунта, взаимодействующего со сваей.

Выполнен конструктивный расчет и предложена конструкция сваи с раскрывающимися лопастями. На основании резуш.тятгт расчета разр«Сиіаш>і рабочие чертежи свай различных конструкций и освоено их изготовление в заводских условиях для ігужд экспериментального и массового строительства.

2. Разработаны технология погружения свай с раскрывающимися лопастями и конструкции фундаментов из этих свай.

3. Изучены процессы, происходящие в основании фундаментов при забивке, отдыхе и статическом загружении свай и свайных фундаментов. Выявлено влияние напряженно-деформированного состояния грунтов активной зоны, сформированного в период забивки и отдыха свай, на характер работы фундаментов при статическом нагружешш. Это позволяет установить зависимость момента расфиксации лопастей от грунтовых условий и глубину добив-ки свай до проектной отметки, обеспечивающей раскрытие лопастей до горизонтального положения, а также получить характеристики уплотненной зоны

под лопастями, при которых достигается максимальная несущая способность свай.

4. На основании комплексных экспериментальных исследований выявлены основные закономерности распределения контактных напряжений по стволу сваи и под уширениями, распределения вертикальных и горизонтальных напряжений в грунте и деформации грунта в основании свай с лопастями при их работе в составе кустов и ленточных свайных фундаментов при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.

5. Определено наиболее эффективное расположение лопастей свай в плане, при котором достигается наибольшая несущая способность свайных фундаментов.

6. На основе экспериментально установленных закономерностей взаимодействия грунта с лопастными сваями, в том числе при их работе в составе кустов и ленточных фундаментов, разработаны методы расчета их осадок и несущей способности:

аналитические, учитывающие нелинейные свойства грунта за счет изменяющегося модуля деформации грунта по глубине в зависимости от напряженного состояния в пределах активной зоны при вертикальном нагружении фундаментов;

численные, с использованием идеально упругопластической модели, учитывающей упрочнение грунта, вызванного забивкой свай в активной зоне свайных фундаментов при действии как вертикальных так и горизонтальных нагрузок.

Практическая ценность диссертационной работы - решение проблемы увеличения эффективности свайных фундаментов при работе в слабых грунтах большой толщи в сложных климатических условиях Западной Сибири. Разработаны новые конструкции свай повышешюй несущей способности, методика расчета и проектирования фундаментов из этих свай, которые по-

зволяют качественно оценивать работу одиночных свай и свайных фундаментов (кусты и ленты), а также прогнозировать их осадку при решении задач в утгругонластической постановке.

Применение этих разработок при строительстве позволяет существешю снизить материшгоемкость свай; трудоемкость работ нулевого цикла за счет уменьшения количества свай в фундаментах и увеличения их несущей способности; сократить транспортные расходы при доставке свай в отдельные районы Западной Сибири.

Результаты исследований включены в разработанные технические условия на забивные лопаепше сваи СЗ-4 ТУ 102-501-89 (М.,1989 г.) и технические указания по применению забивных свай с лопастями ТУ-1-92(М.,1992г.).

Предложенные конструкции свай с лопастями и методы их проектирования опробованы при разработке проектов и строительстве компрессорных стаїпгяй "Октябрьская", газопроводов "Ямбург - Елец I", "Ямбург - Тула I", "Сосновская", "Ямбург - Тула I", "Ямбург - Тула П". "Тяежттжг", "П_рогресс" ц при застройке промышленных сооружений в восточной части г.Тюмени.

Внедрение осуществлялось совместно с проектными и строительными организациями ЮжНИИгипрогаз, СибНИПИгазстрой, Сибтрубопроводстрой, Тюмениефтегазстрой, Казымгазпромстрой, Тюменпромстрой, Когалымнефте-газидр.

Экономический эффект, полученный от внедрения результатов исследования в практику проектирования и строительства Западно-Сибирского региона, составил 3,6 млн.рублей (цены 1984 г.).

Апробация работы. Основные результаты данной работы были доложены и обсуждены на VII Дупайско-Европейской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Кишинев, 1983 г.), на I и П Всесоюзных совещаниях по совремешіьім проблемам свайного фундаментостроения (Пермь,

1988 г.; Одесса, 1990 г.), на ІП, IV и V Международных конференциях по проблемам свайного фувдаментостроения (Минск, 1992 г.; Саратов, 1994 г.; Тюмень, 1996 г.), на региональных конференциях по основаниям и фундамеїпам в Тюменской области (Тюмень, 1987 г.,1990 г.), на научно-технических конференциях "Основания и фундаменты в геологических условиях Урала" (Пермь,1990 г.,1991 г.,1992 г., 1993 г., 1994 г., 1995 г.), на Ш Всесоюзном координационном совещшши-семинаре по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов (Владивосток, 1991 г.), на международных конференциях по фундаментостроснию в КНР (Няньджинь, 1992 г.) и Сингапуре (Сингапур, 1992 г.), на ХШ международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроешю в Индии (1994 г.).

Отдельные результаты исследований включены в учебный процесс по подготовке инженеров-строителей в Тюменской государственной архитектурно-строительной академии. В рабочую программу курса "Основания и фундаменты" включен раздел "Рациональные конструкции фундаментов в сложных инженерно-геологических и климатических условиях".

В настоящее время разработки автора достаточно широко применяются при проектировании и возведении фундаментов в сложных инженерно-геологических и климатических условиях Западной Сибири.

Личный вклад в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах многолетних исследований под руководством и при непо-средствешюм участии автора и выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой "Нефть и газ Западной Сибири" №599 от 15.10.81 (1981-1991 гг.).

Постановка проблемы, формулирование цели и 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 строительных конструкций ТюмГАСА.

За исследование, разработку новых конструкций свай повышенной несущей способности, создание методов их расчета при работе в составе различных фундаментов и внедрение в практику проектирования и строительства объектов Западно-Сибирского нефтегазового комплекса автор и члены авторского коллектива были удостоены премии Совета Министров СССР 1991 г.

Автор выражает глубокую благодарность за научные консультации член-корреспонденту Российской Академии наук, Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, доктору технических наук, профессору А.А.Бартоломею, кандидату технических наук, доценту Б.СЮшкову, а таюке сотрудникам Тюменского инженерно-строительного института и Пермского государственного технического университета, оказавших помощь в выполнении полевых исследований.

На защиту выносятся:

1. Анализ исследований работа кеііструїсціїй ^оай повышенной несущей способности в различных грунтовых условиях.

2. Результаты натурных комплексных экспериментальных исследований взаимодействия одиночных свай с лопастями, кустов и ленточных фундаментов из этих свай со слабым глинистым грунтом при действии как вертикальных ,так и горгооїпальньгх нагрузок.

3. Методы расчета осадок и несущей способности одиночных свай с раскрывающимися лопастями, кустов и ленточных фундаментов с учетом физической нелинейности грунта и методика проектироваїгия фундаментов из этих свай.

4. Результаты численного моделирования взаимодействия окружающего грунта и фундаментов из свай с раскрывшощимися лопастями при нагружепии их вертикальной или горизонтальной нагрузками.

5. Технология изготовления лопастных свай и их погружения при возведении фундаментов.

6. Методика расчета элементов свай с раскрывающимися лопастями на основе действительного взаимодействия лопастей с основанием как при забивке свай, так и при действии на них статической нагрузки.

7. Результаты анализа экспериментальных и теоретических исследова-пий и рекомендации по изготовлению свай с лопастями и устройству фундаментов го них.

8. Результаты внедрения исследований в практику проектирования,
строительства и эксплуатации сооружений на слабых глинистых грунтах.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 43 печатных работах и защищены 16 авторскими свидетельствами. Результаты исследований включены в технические условия ТУ 102-501-89 (М., 1989) и технические указания ТУ 1-92 (М., 1992).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 246 наименований и двух приложений. Объем работы 428 сгршшц, включая 19 таблиц и 137 иллюстраций.