Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние фундаментостроения в условиях сильнонагруженных слабых грунтовых оснований 15
1.1. Общие положения (высотное строительство) 15
1.2. Комбинированные фундаменты как синтез плитного и свайного фундаментов 19
1.2.1. Свайные фундаменты. Области применения. Достоинства и недостатки 19
1.2.2. Плитные фундаменты в высотном строительстве. История развития новых конструктивных форм плитных фундаментов. Достоинства и недостатки 22
1.2.3. Комбинированные фундаменты. Эволюция и перспективы развития 23
1.2.3.1. Эволюция комбинированных фундаментов 223
1.2.3.2. Особенности взаимодействия комбинированных фундаментов с грунтовым основанием 29
1.3. Улучшение строительных свойств грунтового основания и его преднапряжение 33
1.4. Комбинированные ленточные свайные фундаменты (КЛСФ) с предварительно опрессованным грунтовым основанием 39
1.4.1. Основные положения 39
1.4.2. Особенности взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов (КЛСФ) с предварительно опрессованным грунтовым основанием 42
1.5. Выводы по главе 1 44
1.6. Задачи диссертационной работы з
ГЛАВА II. STRONG Аналитические и численные исследования взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием 47
2.1. Общие положения STRONG 47
2.2. Влияние предварительной опрессовки грунтового основания на изменение физико-механических характеристик грунта 49
2.3. Влияние предварительной опрессовки грунтового основания на изменение несущей способности свай 63
2.4. Влияние предварительной опрессовки грунта на характер деформирования основания КЛСФ 75
2.5. Выводы по главе II 92
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования взаимодействия комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием в полевых условиях 95
3.1. Площадка проведения исследований и задачи эксперимента 95
3.2. Технология изготовления объекта исследования 99
3.3. Приборы и оборудование 104
3.4. Порядок проведения натурных экспериментов 112
3.5. Результаты натурных экспериментальных исследований 119
3.5.1. Оценка напряженно-деформированного состояния грунтового основания и характера распределения контактных давлений КЛСФ в процессе выполнения предварительной опрессовки грунта 119
3.5.2. Оценка напряженно-деформированного состояния грунтового основания и характера распределения контактных давлений исследуемого фундамента при его статическом нагружении 122
3.5.3. Осадки исследуемого фундамента 130
3.5.4. Оценка физико-механических свойств зон предварительно опрессованного грунта 133
3.6. Выводы по главе III 136
ГЛАВА IV. Прогноз осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании 138
4.1. Общие положения 138
4.2. Прогноз осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании... 138
4.3. Сдвиговая осадка в пылевато-глинистых грунтах, преобладающих на территории юга Тюменской области 142
4.4. Последовательность определения средней осадки КЛСФ. Задача плоской деформации 145
4.5. Теоретический прогноз осадки экспериментальной крупномасштабной модели КЛСФ по предлагаемой методике 149
4.6. Внедрение КЛСФ с предварительной опрессовкой грунтового основания в практику строительства 151
4.7. Выводы по главе IV 158
Заключение 160
Список литературы
- Свайные фундаменты. Области применения. Достоинства и недостатки
- Влияние предварительной опрессовки грунтового основания на изменение физико-механических характеристик грунта
- Технология изготовления объекта исследования
- Сдвиговая осадка в пылевато-глинистых грунтах, преобладающих на территории юга Тюменской области
Свайные фундаменты. Области применения. Достоинства и недостатки
Градостроительная политика крупных российских городов сталкивается с необходимостью строительства высотных и повышенной этажности зданий. Современные требования городской инфраструктуры основаны на максимальном использовании городских территорий и четкой организации пространства. Данные требования приводят к появлению, как отдельных высотных сооружений, так и многофункциональных комплексов, состоящих из отдельных зданий, жестко соединенных между собой функциональными связями. Зачастую под застройку такого комплекса попадает целый городской квартал, со всех сторон очерченный транспортными магистралями и существующими строениями. Строительство отдельных высотных зданий и особенно их комплексов является сложным инженерным делом, которое должно учитывать большое количество факторов, определяющих все стадии жизни объекта, как-то: предпроектная подготовка, проектирование, строительство, эксплуатация.
Одним из первых высотных зданий принято считать «Woolworth Building» в Нью-Йорке высотой 241 м (57 этажей), построенное в 1913 г. Долгое время самым высоким в мире считалось 102-этажное здание «Empire State Building» общей высотой 381 м (с антенной 448 м). Позже были построены «Sears Tower» в Чикаго высотой 442 м; башни-близнецы «Petronas Towers» в Куала-Лумпур высотой 452 м; здание «Taipai Financal Center» высотой 448 м (со шпилем 508 м) [45]. Самое высокое здание на сегодняшний день 160-ти этажная башня Burj Khalifa» общей высотой 828 м находится в эмирате Дубай [91] (рис. 1.1).
История российского фундаментостроения под высотные здания началась в послевоенные годы. 13 января 1947 года в Кремле И.В. Сталиным было подписано постановление о строительстве в г. Москве восьми многоэтажных зданий, семь из которых было впоследствии возведено. В книге А.Н. Комаровского «Записки строителя» автор подробно описывает устройство фундаментов здания МГУ. Глубина заложения фундаментов здания была принята таким образом, чтобы вес здания не превышал вес вынутого грунта в его подземной части [58]. Использование коробчатых фундаментов с развитой площадью опирання при строительстве МГУ и других высоток позволяет снизить среднее давление по подошве фундамента до 0,3... 0,45 МПа. Однако в условиях сложившейся в настоящее время плотной застройки такое решение является весьма проблематичным.
Высотное строительство за рубежем в основном развито на территориях с благоприятными инженерно-геологическими условиями: на прочных скальных грунтах или основаниях, сложенных малосжимаемыми отложениями, неподверженных структурным преобразованиям. В России, например, на территории Тюменской области такие условия отсутствуют.
Большая часть территории севера Западной Сибири заторфована, а значительная часть юга этого региона сложена слабыми водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами (таблица 1.1). Мощность слабых водонасыщенных грунтов с модулем деформации 2-5 МПа составляет, как правило, от 8 до 15 и более метров.
Территория юга Тюменской области занимает юго-западную часть Западно-Сибирской низменности. Западной границей является Урал, восточной - долина р. Ишим; на севере она граничит с областью плоских приледниковых озерно-аллювиальных равнин. В строении этой области принимают участие меловые, палеогеновые и неогеновые отложения, перекрытые на междуречьях лишь небольшим слоем четвертичных отложений [28]. Данная территория относится к Зауральской и Приказахстанской инженерно-геологической области второго порядка [99].
Согласно [122], покровные образования Тюменской области можно подразделить на две зоны. К первой зоне относятся морские и ледниковые равнины с широким развитием на севере тундры и лесотундры. В тундре характерным видом покровных образований является торф, мощность которого увеличивается с севера на юг. На юге области распространены крупнобугристые и грядово-мочажинные болота с мощностью торфа до 10-12 м и площадью в несколько квадратных километров. Вторая зона -долины крупных рек - сложена аллювиальными отложениями, мощность которых достигает 300 м. Ближе к Уралу мощность рыхлых отложений уменьшается. По данным инженерно-геологических изысканий установлено, что расположенные вблизи дневной поверхности пески, супеси, суглинки и глины в талом состоянии имеют малые значения модуля деформации и высокий коэффициент сжимаемости [122].
Влияние предварительной опрессовки грунтового основания на изменение физико-механических характеристик грунта
При давлении опрессовки 50 кПа общие перемещения распространяются по глубине на величину до одного В, а по ширине не распространяются за пределы пролета, ограниченного свайными лентами.
При давлении опрессовки 100 кПа глубина распространения общих перемещений достигает 1,3В, а по ширине - до 0,3В за пределы пролета.
При давлении опрессовки 150 кПа глубина распространения общих перемещений достигает величины 1,3В, а по ширине - за пределы пролета на величину до 0,3В в направлении центрального пролета и до 0,6В за пределы фундамента.
Основываясь на вышеприведенных данных следует отметить, что: при давлении опрессовки грунтового основания равном 50 кПа во всех рассмотренных вариантах глубина распространения общих перемещений достигает величины одного В, а по ширине общие перемещения не распространяются за пределы пролета. при давлении опрессовки грунтового основания равном 100 кПа во всех рассмотренных вариантах глубина распространения общих перемещений достигает величины от 1,3В до 1,6В, а по ширине общие перемещения распространяются на величину до 0,3В за пределы пролета и для пролетов №2 и №4 смыкаются под центральным пролетом. при давлении опрессовки грунтового основания равном 150 кПа во всех рассмотренных вариантах глубина распространения общих перемещений достигает величины от 1,3В до 2,0В, а по ширине они распространяются на величину от 0,3В до 0,7В за пределы пролета.
Таким образом, опрессовка грунта оказывает значительное влияние на формирование НДС основания. Варьирование таких параметров, как: давление, стадийность выполнения в процессе строительства или эксплуатации объекта - позволяют добиваться требуемого изменения свойств грунтового основания в плане и по глубине, улучшающих взаимодействие с фундаментом и надземной частью. Пролет №1 + №5
Выполнена оценка влияния предварительной опрессовки грунтового основания на изменение физико-механических характеристик грунта.
1. Зависимость модуля деформации аллювиальных суглинков четвертичного отложения от коэффициента пористости грунта носит нелинейный полиномиальный характер [107], поэтому функция изменения модуля деформации при опрессовке грунтового основания имеет ярко выраженный экстремум. Максимум функции достигается в грунтовых условиях, при которых коэффициент пористости находится в диапазоне от 0,8 до 0,95. При определении измененного в результате опрессовки значения модуля деформации аллювиального мягкопластичного суглинка четвертичного отложения были получены следующие результаты: максимальное увеличение модуля деформации при давлении опрессовки Д ир=100 кПа достигает 9-10% в верхнем слое с постоянным затуханием по глубине, увеличение средневзвешенного модуля деформации 7-8%.
2. При опрессовке грунтового основания давлением ропр=\00 кПа увеличение модуля деформации тугопластичного суглинка составляет 6-7% в верхнем слое, увеличение средневзвешенного модуля деформации 4-5%. Увеличение модуля деформации полутвердого суглинка составляет 4% в верхнем слое, увеличение средневзвешенного модуля деформации 3%.
3. Для аллювиального суглинка четвертичного отложения максимальное увеличение удельного сцепления с и угла внутреннего трения (р при давлении опрессовки ponp=\QQ кПа составило 4-6% в верхнем слое с постоянным затуханием по глубине. Изменение средневзвешенного значения удельного сцепления с и угла внутреннего трения ср на глубину сжимаемой толщи составило 2-3%.
4. При давлении опрессовки грунтового основания ропр =50 кПа в пролетных частях фундамента между свайными лентами, равных строительному модулю 6м, во всех рассмотренных вариантах глубина распространения общих перемещений достигает величины одного В, а по ширине общие перемещения не распространяются за пределы пролета. При давлении опрессовки грунтового основания равном ропр=\00 кПа во всех рассмотренных вариантах глубина распространения общих перемещений достигает величины от 1,3В до 1,6В, а по ширине общие перемещения распространяются на величину до 0,3В за пределы пролета и для пролетов №2 и №4 смыкаются под центральным пролетом. При давлении опрессовки грунтового основания равном ропр= 150 кПа во всех рассмотренных вариантах глубина распространения общих перемещений достигает величины от 1,3 В до 2,0В, а по ширине они распространяются на величину от 0,3В до 0,7В за пределы пролета.
5. Опрессовка грунтового основания оказывает значительное влияние на формирование НДС основания. Варьирование таких параметров, как давление опрессовки, очередность опрессовываемых пролетов, стадийность выполнения: в процессе строительства или эксплуатации объекта - позволяет добиться требуемых параметров грунтового основания в плане и по глубине, улучшающих взаимодействие с фундаментом и надземной частью здания или сооружения.
Технология изготовления объекта исследования
Для достижения поставленных целей экспериментальных исследований была изготовлена крупномасштабная модель КЛСФ с возможностью выполнения предварительной опрессовки грунтового основания.
Фундамент представлял собой конструкцию размерами в плане 3,0x1,8 м, с шириной продольных и поперечных ростверков 250 мм, пролетной части - 1300 мм. Под ленточными продольными ростверками были устроены шесть буронабивных свай длиной 2500 мм, диаметром 200 мм с уширенной пятой диметром 500 м. Общий вид представлен на рис. 3.4.
В запланированных местах с помощью фундаментного бура «ТИСЭ-2Ф» выполнялись скважины длиной 2500 мм, диаметром 200 мм, после чего в скважинах предусматривалось образование полусферической полости диаметром 500 мм за счет срезания грунта уширителем (откидной плуг 100 ручного бура). Срезанный грунт удалялся из скважины. В скважины опускался арматурный каркас с направляющими скобами, которые обеспечивали центрирование каркаса относительно поперечного кольцевого сечения сваи. В качестве рабочей использовалась арматура класса А-Ш диаметром 8 мм. Арматурные выпуски составляли 150 мм. Проводилось бетонирование ствола сваи и последующее вибрирование бетонной смеси. Буронабивные сваи выполнялись из бетона класса В15. По спланированной поверхности пространство в пролетной части фундамента заполнялось щебнем мелкой фракции с заданной криволинейной поверхностью, после чего устраивалась пологая выпуклая вверх оболочка с f 1 соотношением стрелы подъема к пролету —«-. Функция кривизны L 8 квадратная парабола. Стрела подъема - 160 мм. Толщина оболочки - 50 мм. Оболочка соединялась с опорным контуром посредством выпусков арматурных стрежней внутренней криволинейной сетки оболочки, заанкеренных в теле ростверка. Предварительно перед бетонированием была произведена установка перфорированных инъекторов, выполненных из стальной трубы с резиновыми манжетами диаметром 57 мм. Оболочечная часть фундамента и ростверки выполнялись из бетона класса В15 путём одновременного бетонирования. В качестве рабочей арматуры продольных и поперечных ростверков использовалась арматура класса А-Ш диаметром 16 мм, сетка оболочки была выполнена из арматуры класса А-Ш диаметром 12 мм.
Порядок проведения работ по устройству модели КЛСФ на экспериментальной площадке включал в себя следующие этапы: планировка поверхности до грунтов природного сложения; изготовление стальных арматурных каркасов и сеток для армирования продольных и поперечных ростверков, оболочки и свай исследуемого фундамента; изготовление перфорированных инъекторов с резиновыми манжетами из трубы диаметром 57 мм (рис. 3.5, 3.6, 3.7);
Статическое нагружение опытного фундамента на экспериментальной площадке велось предварительно взвешенными фундаментными блоками ФБС 24.6.6 (рис. 3.18, 3.19). Принципиальная схема нагружения представлена на рис. 3.20. Блоки укладывались на продольные ростверки КЛСФ. Для достижения равномерной передачи нагрузки перед установкой последующей ступени нагружения на каждый блок предыдущей ступени в створе укладывались прокладки из бруса 100x100 мм длиной по 5000 мм. Данная система обладала значительной сдвиговой жесткостью и обеспечивала четкую передачу нагрузки по равнодействующим столбов из блоков. Таким образом достигалось проектное равномерное нагружение фундамента и безопасность проведения эксперимента. Общий вид опытного фундамента под нагрузкой приведен на рис. 3.21.
Вертикальные перемещения точек фундамента и глубинных винтовых марок фиксировались при помощи прогибомеров 6ПАО с ценой деления 0,01 мм (см. прил. 1). В качестве струн прогибомеров использовалась пружинная стальная проволока диаметром 0,3 мм.
Для измерения деформаций в грунте активной зоны фундаментов, устанавливались глубинные винтовые марки. Глубинная марка выполнялась из металлического стержня диаметром 10 мм и длиной 50 мм, а лопасти - из листовой стали толщиной 2 мм диаметром 30 мм и внутренним отверстием диаметром 10 мм. Нижний конец стержня заострялся, и к нему крепилось начало винтовой лопасти, привариваемой по спирали по длине стержня. Струна крепилась к верхнему концу стержня, стачиваемому под квадрат со стороной 7 мм. Стачивание производилось для надежной фиксации марки при закручивании в грунт. При этом марка заходила в расточенное под четырехгранник со стороной 9 мм отверстие в гайке М8. Гайка приваривалась к трубе диаметром 16 мм, являвшейся направляющей для внедрения марки на нужную глубину. Глубинная марка приведена на рис. 3.22. Для регистрации напряжений, возникающих в активной зоне грунта и по контактной поверхности, использовались односторонние датчики давления (мессдозы). Конструкция мессдозы приведена на рис. 3.23.
Разработка мессдоз осуществлялась на основе данных, представленных в работах Д.С. Баранова [10], А.В. Голли [30], Б.И. Далматова [47], В.М. Стаина [112], А.П. Криворотова [61], Н.Ф Арипова [4], З.Я. Тарикулиева [114], Ю.Н. Мурзенко [81], Г.С. Госьковой [35], Г.Е. Лазебника [64] и других авторов. Для соблюдения всех требований мессдозы выполнялись из титана марки ВТ1.
В соответствии с [9] соотношение высоты и диаметра мессдозы назначено небольшим (1/7 - 1/8), что практически исключает концентрацию напряжений под мессдозой. Контактные мессдозы (рис. 3.28) имели наружный диаметр 46 мм и толщину рабочей мембраны 0,8 мм. Глубинные мессдозы (рис. 3.29) применялись диаметром 46 мм с толщиной 0,6 мм. Мессдозы состояли из двух частей соединяющиеся посредством "паз-шип" с промазкой места стыковки тонким слоем универсального эпоксидного клея по ТУ 2252-003-62517430-01
Сдвиговая осадка в пылевато-глинистых грунтах, преобладающих на территории юга Тюменской области
В виду того, что при расчете свайных фундаментов в условиях высокого темпа городских застроек весьма важно располагать значениями сопротивления грунта под острием сваи и по боковой поверхности для характерных грунтов отдельных больших районов застройки, в 1966г. Б.И. Далматовым и Ф.К. Лапшиным по результатам около ста статических испытаний свай, проведенных Ленинградоргстроем, была составлена таблица величин сдвиговых осадок свай для некоторых характерных для Ленинграда (Санкт-Петербурга) грунтов [48]. Сдвиговые осадки свай для суглинков тугопластичной и мягкопластичной консистенции варьировались от 8 до 15 мм.
Сдвиговой осадкой Scd считается осадка свай при испытании статической нагрузкой, при которой прекращается дальнейшее искривление слоев грунта около ствола и начинается перемещение (рис. 4.5). Scd - максимальная деформация грунта около сваи при сдвиге до наступления среза.
Начиная с осадки Scd, касательные силы практически перестают расти, что отражается на характере графика «осадка - нагрузка». Зависимость между нагрузкой и осадкой выражается двумя отрезками параболы на начальном и конечном участках, причем конечный характеризует работу острия сваи, которая проявляется в чистом виде лишь после достижения ею предельной сдвиговой осадки. Оба отрезка аппроксимируются уравнениями параболы, каждый со своими параметрами. Поэтому при построении в логарифмической шкале график зависимости осадки от нагрузки представляется двумя пересекающимися прямыми, а точка пересечения определяет величину сдвиговой осадки.
С целью определения сдвиговой осадки висячих свай в пылевато-глинистых грунтах различной консистенции была выполнена обработка данных статических испытаний 122 забивных свай квадратного сечения 300x300мм длиной от 6 до 12м, выполненных в г. Тюмени
Подтвердилась гипотеза о наличии нормального распределения в генеральной совокупности по данным выборки, на основании критерия «хи-квадрат» (критерий согласия Пирсона). Наблюдаемое значение этого критерия для рассматриваемых данных х2набл=7,2.
Гипотеза о наличии нормального распределения в генеральной совокупности по данной выборке принимается, так как выборочное значение критерия «хи-квадрат» меньше аналогичного теоретического значения для заданного уровня доверительной вероятности.
На рисунке 4.6 изображен график рассчитанных и наблюдаемых значений частот данных сдвиговых осадок свай, испытанных в г. Тюмени на территориях, сложенных преимущественно пылевато-глинистыми грунтами. Среднее значение М(х) составило 9,9 мм; дисперсия D(x) = 3,1 мм; среднеквадратичное отклонение а(х) = 1,8 мм. Таким образом, с вероятностью 95% можно считать сдвиговую осадку равной 9,9-10 мм.
Определение среднего давления рср1, при котором осадка фундамента будет равна сдвиговой осадке сваи = 10 мм, используя численное моделирование ЭВМ Из общего давления на фундамент рср вычитаем рср1 и делим, на 5 частей для стадийного расчета Расчёт осадки на каждой ступени, поэтапно выключая верхнюю часть свай на глубину, при которой деформирование грунтового основания превышает Scd если расчетная осадка не превышает предельно допустимое значение S [SJ, выполняется проектирование плитного фундамента без устройства свай; если расчетная осадка превышает предельно допустимое значение S [SJ, выполняется расчет КЛСФ.
Для определения параметров предварительного напряжения грунтового основания: улучшения физико-механических характеристик грунта, увеличения несущей способности свай, характера деформирования назначаем параметры опрессовки.
Решаем обратную задачу. Находим давление, соответствующее предельной осадке [SJ, с учетом улучшенных физико-механических характеристик грунтов. Для восприятия нагрузки рср, соответствующей разности внешнего давления и давления, соответствующего предельной осадке, устраиваем сваи с учетом увеличения их несущей способности вследствие выполнения предварительного напряжения грунтового основания. численное моделирование, например, программный комплекс SCAD, реализующий комбинацию метода Шварца и контактную модель с переменным в плане коэффициентом постели, находим среднее давление pcpi, при котором осадка фундамента будет равна сдвиговой осадке сваи. Для пылевато-глинистых грунтов юга Тюменской области сдвиговая осадка Scd = 10мм.
Т.е. при этом давлении осадка с учетом начальных жесткостей составит 10 мм и при этом уменьшение жесткости отдельных элементов системы не произойдет.
При дальнейшем увеличении нагрузки изолиния S= 10мм переместится от подошвы плиты в грунтовое основание (рис. 4.46), что приведет к «выключению» из работы части сваи, находящейся выше этой изолинии.
Из общего давления на фундамент р вычитаем рср1 и делим, например, на 5 частей для стадийного расчета. 8. Рассчитываем осадку на каждой ступени, поэтапно «выключая» из работы верхнюю часть свай на глубину, при которой деформирование грунтового основания превышает Scd. Как следствие, несущая способность свай уменьшается, снижая их коэффициент жесткости.
Если осадка комбинированного ленточного свайного фундамента превысила допустимые значения, то для соблюдения условия непревышения нормативной осадки [SJ, необходимо увеличить давление опрессовки, вследствие которой произойдет дополнительное повышение жесткости основания и несущей способности свай.
Теоретический прогноз осадки экспериментальной крупномасштабной модели КЛСФ по предлагаемой методике
Для проверки адекватности и работоспособности выбранной модели прогноза осадки комбинированных ленточных свайных фундаментов на предварительно опрессованном грунтовом основании в условиях плоской деформации при эксплуатационной стадии, был выполнен теоретический расчет по предлагаемому инженерному методу и расчет в программном комплексе Plaxis 2D.
В качестве модели фундамента, представленного в численном расчете, принята точная геометрическая копия фундамента, работа которого была исследована в полевых условиях. Нагрузка передавалась по силовым линиям на продольные ростверки КЛСФ. Слоистое грунтовое основание при расчете было принято с фактическими физико-механическими характеристиками до и после проведенной опрессовки, представленными в таблице 3.2 (см. главу III).