Введение к работе
Актуальность темы. Обширные территории Российской Федерации характеризуются продолжительным зимним периодом и значительной глубиной промерзания грунтов. Освоение природных богатств и энергетических ресурсов Урала и Сибири требует строительства новых гражданских и промышленных объектов, что приводит к использованию в качестве оснований водонасыщенные сезоннопромерзающие глинистые грунты. При освоении таких районов возникает необходимость решения специальных задач по обеспечению прочности, устойчивости и долговечности зданий и инженерных сооружений, которые возводятся на пучинистые грунтах. Их решение связано с оценкой морозного пучения грунтов и его влиянием на состояние свай и свайных фундаментов.
Одним из наиболее распространённых способов возведения фундаментов в сезоннопромерзающих грунтах является погружение свай значительно ниже границы сезонного промерзания, а это повышает до 15-20% стоимость возведения фундамента лёгких зданий и неотапливаемых сооружений.
Выполненные многочисленными авторами экономические сравнения вариантов фундаментов в различных грунтовых условиях свидетельствуют о высокой эффективности применения фундаментов из свай распорного типа.
Требованиям устойчивости свай в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах наиболее полно отвечают двуконусные сваи, разработанные в результате теоретического анализа сил, действующих на сваю при промерзании. Такие сваи позволяют существенно уменьшить негативное влияние касательных сил морозного пучения и обеспечить устойчивость свайных фундаментов из двуконусных свай для неотапливаемых малонагруженных зданий и инженерных сооружений. Однако до настоящего времени вопросам оценки работы двуконусных свай в пучинистых грунтах уделялось недостаточно внимания.
Расчёты, выполненные по нормативным документам, дают результаты прогнозирования деформаций фундаментов из двуконусных свай с большим отклонением от фактических, поэтому работа является актуальной.
Диссертация выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ПГТУ (код по ГРНТИ: 67.11.29, заказ-наряд №1012).
Объект исследований – полая двуконусная железобетонная свая заводского изготовления, устраиваемая в пучинистых грунтах, преимущественно глинистых (глины, суглинки и супеси), которые по существующей классификации (ГОСТ 28622-90 – Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости) относятся к сильно и средне пучинистым.
Предмет исследований – взаимодействие двуконусной сваи с пучинистым грунтом на этапе её эксплуатации.
Цель диссертации – на основе экспериментальных и теоретических исследований оценить работу двуконусных свай в пучинистых грунтах и разработать метод расчёта свай по деформациям пучения, обеспечивающий надёжность проектирования свайных фундаментов для неотапливаемых малоэтажных зданий и инженерных сооружений в сезоннопромерзающих грунтах.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
Разработать методику и провести экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях устойчивости двуконусных свай в пучинистых грунтах при многократном промерзании-оттаивании: обосновать рациональный тип двуконусной сваи по геометрическим характеристикам для практического использования.
Выполнить экспериментальные исследования определения несущей способности призматических, конических и двуконусных свай в глинистых грунтах и выявить влияние геометрических характеристик на их работу при действии статической вдавливающей нагрузки.
Разработать метод расчёта свай по деформациям пучения; сопоставить результаты, полученные по предложенному методу, со своими экспериментальными данными и данными других исследований и расчётами по нормативной литературе.
Провести опытно-промышленную апробацию результатов исследований при проектировании свайных фундаментов из двуконусных свай на пучинистых грунтах для неотапливаемых малоэтажных зданий и инженерных сооружений; сформулировать область применения двуконусных свай по грунтовым условиям и типам зданий, сооружений.
Научная новизна заключается в следующем:
В полевых и лабораторных экспериментальных исследованиях установлены закономерности взаимодействия двуконусной сваи с талым и промерзающим пучинистым грунтом.
Установлено, что при замерзании грунта выпучивание двуконусных свай нейтрализуются как силами трения по боковой поверхности талого грунта (60%), так и силами, создаваемыми нормальными напряжениями при промерзании (40%), направленными под углом навстречу касательным силам (эффективность нейтрализации пропорциональна углу наклона верхнего конуса (2-50).
Экспериментальными исследованиями установлено, что при взаимодействии рекомендуемых свай с талым глинистым грунтом несущая способность сваи на 14-18% больше, чем у призматической при одинаковых осадках, за счёт распорной конструкции нижней части двуконусной сваи. Кроме того, удельная несущая способность материала двуконусной сваи в среднем на 48-53% выше, чем у призматических свай аналогичной длины.
Разработан инженерный метод расчёта свай по деформациям пучения при моделировании грунта как линейно деформированного полупространства. Расчёты по прогнозированию выпучивания свай по предлагаемому методу, сопоставленные с расчётами по нормативным документам и экспериментальными данными для призматических (А.А.Бартоломей), пирамидальных (В.С.Сажин), ромбовидных (К.А.Хамидуллин) свай, показали расхождение менее 25%.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечена:
использованием общепринятых положений в теории упругости и механики грунтов, методов расчёта оснований и фундаментов, применением современного оборудования, достаточным объёмом исследований;
выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных приборов.
Практическая значимость и реализация работы состоит в том, что:
Предложены:
- новое конструктивное решение двуконусной сваи, патентная новизна которой подтверждена патентом Российской Федерации на полезную модель (№ 42234 «Свая» от 27.11.04);
- инженерный метод расчёта свайных фундаментов по деформациям пучения, внедряемых в сезоннопромерзающие глинистые грунты.
Разработаны рекомендации по проектированию фундаментов из двуконусных свай, составлены рабочие чертежи свай и отработана технология их изготовления.
Результаты исследований:
- внедрены на объектах при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «Лукойл-Пермь» силами предприятия ООО «Урал-Тайзер» г.Пермь;
- рекомендуется использовать в учебном процессе по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (Пермь, 2004-2010 гг.); на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П.Макеева (Екатеринбург, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Качество. Инновации. Наука. Образование» (Омск, 2005 г.); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного и трубопроводного транспорта в уральском регионе» (Пермь, 2005 г.); на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (Пермь, 2005 г.); на международной научно-технической конференции (Украина, Ялта, 2006 г.).
Личный вклад автора состоит в следующем:
проведены лабораторные и полевые испытания двуконусных свай и их результаты сопоставлены с расчётными данными;
разработан инженерный метод расчёта по деформациям пучения одиночных свай в сезоннопромерзающих глинистых грунтах;
определена область применения двуконусных свай;
в практическом внедрении результатов исследований.
На защиту выносятся:
результаты экспериментально-теоретических исследований взаимодействия двуконусных свай в сезоннопромерзающем глинистом грунте;
инженерный метод расчёта свай по деформациям пучения, позволяющий определять расчётное выпучивание сваи с учётом её геометрических характеристик и свойств грунта;
рекомендации в области применения двуконусных свай.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе получен патент на полезную модель, две статьи без соавторов и одна статья в журнале, входящем в перечень изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа содержит 156 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 114 наименований, в том числе 8 на иностранном языке.
