Исследование напряженно-деформированного состояния маловлажного песчаного грунта вокруг свай-РИТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

24

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАЛОВЛАЖНОГО ПЕСЧАНОГО ГРУНТА ВОКРУГ СВАЙ-РИТ

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая, строительная)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

БУДАНОВ Алексей Александрович

Москва 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

Московском государственном строительном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тер-Мартиросян Завен Григорьевич

Научный консультант: кандидат технических наук

Еремин Валерий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бахолдин Борис Васильевич

доктор геолого-минералогических наук,

профессор

Вознесенский Евгений Арнольдович

Ведущая организация: ОАО “Научно-исследовательский институт

транспортного строительства” (ОАО ЦНИИС)

Защита состоится “ 29 ” мая 2007 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.212.138.08 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, ул. Спартаковская, дом 2/1, аудитория 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан “ ___ ” ______________ 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Знаменский В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С 1990 года в геотехническом строительстве применяют новый вид буронабивных свай высокой несущей способностью (НС) по грунту - сваи-РИТ, изготавливаемые с использованием разрядно-импульсной технологии (РИТ). При разрядно-импульсной обработке (РИО) у свай формируют камуфлетные уширения (КУ) и изменяют напряженно-деформированное состояние (НДС) прилегающего грунта, которое до настоящего времени изучено недостаточно. Реальная НС свай-РИТ часто в 2 и более раз превышает НС, рассчитанную с помощью известных действующих методик. Такое недоиспользование НС свай сдерживает реализацию национального проекта "Доступное и комфортное жилье - гражданам России".

Работа выполнена в рамках НИР «Экспериментальное и теоретическое обоснование применения и внедрения РИТ при устройстве буронабивных свай для строящихся зданий повышенной этажности по программе “Новое кольцо Москвы”» № Гос. регистрации 01020412207.

Объект исследований - маловлажный песчаный грунт, окружающий сваю-РИТ.

Предмет исследований - НДС и физико-механические характеристики маловлажного песчаного грунта, окружающего сваю-РИТ.

Методы исследований - теоретический и экспериментальный: в специальном лотке; на полигоне и реальных объектах.

Цель работы - установить закономерности изменения НДС грунта в зоне влияния РИО при устройстве свай-РИТ, на основе которых разработать, научно обосновать и внедрить более точный метод расчета НС свай-РИТ по грунту.

Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:

Теоретически исследовать влияние электровзрывов (ЭВ) на изменение НДС грунта.

Выполнить натурные исследования и установить влияние РИО на НС свай-РИТ и уплотнение окружающего грунта.

Провести лабораторные исследования и выявить закономерности изменения НДС и основных физико-механических характеристик грунта в зоне влияния РИО при изготовлении свай-РИТ.

Откорректировать существующую методику расчета НС свай-РИТ.

Проверить предложенную методику на практике.

Разработать технические рекомендации по проектированию свай-РИТ.

Научная новизна работы:

Установлены основные закономерности изменения НДС и физико-механических характеристик маловлажных песчаных грунтов вокруг формируемых КУ свай-РИТ.

Доказана возможность использования принципов пропорциональности и геометрического подобия для оценки размеров зоны уплотнения (ЗУ) и зон изменения НДС маловлажного песчаного грунта вокруг КУ свай-РИТ от размеров условной камуфлетной полости (УКП), полученной серией ЭВ.

Обоснована возможность использования для предварительных расчетов НС грунта под нижним концом свай-РИТ, расчетных значений сопротивления грунта (R), принятых для забивных свай.

Усовершенствована методика расчета НС висячих свай-РИТ по грунту.

Практическая значимость состоит в разработке:

методики расчета НС свай-РИТ по грунту, использующей нормативную базу, проверенную многолетней практикой проектирования;

Технических рекомендаций ТР 50-180-06 по проектированию и устройству свай-РИТ;

нового запатентованного узла соединения секций арматурных каркасов свай.

Достоверность результатов исследований, а также сформулированных в работе научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректным использованием теоретических положений в области механики грунтов и комплексом результативных экспериментов. Расчеты по новой методике подтверждены высокой сходимостью с данными контрольных испытаний свай-РИТ вдавливающей нагрузкой и практикой проектирования.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены:

- при проектировании и строительстве свайных фундаментов (СФ) под жилые дома на пр-те Вернадского-37, ул. Давыдковская-19 и др.;

- в Технических рекомендациях ТР 50-180-06.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались: на 84-м заседании научно-исследовательского семинара по теоретическим и прикладным проблемам современной механики грунтов (Москва, МГСУ, 28.05.04); на Международной научно-технической конференции «Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях» (РФ, г. Уфа, 3-5.10.06); на Академических чтениях по геотехнике «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики механики грунтов и фундаментостроения» (РФ, г. Казань, 22-23.11.06).

Личный вклад автора состоит:

В проведении теоретических исследований влияния РИО на изменение НДС грунтов вокруг КУ свай-РИТ.

В получении результатов экспериментальных исследований изменения НДС и характеристик маловлажного песчаного грунта вокруг свай-РИТ.

В распространении принципов пропорциональности и подобия для оценки размеров ЗУ и зон изменения НДС грунта от размеров УКП.

В обосновании правомерности использования расчетных сопротивлений грунта (R) забивных свай для расчета НС под нижним концом висячих свай-РИТ.

В разработке нового конструктивного решения узла соединения секций арматурных каркасов свай (патент РФ № 51639 - в соавторстве).

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния РИО на уплотнение грунтов, НС свай-РИТ и изменение НДС маловлажных песков.

Выявленные закономерности определения размеров КУ свай-РИТ, ЗУ и зон изменения НДС грунта вокруг КУ.

Метод расчета НС свай-РИТ по грунту на вдавливающую нагрузку.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, включая патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, списка литературы из 176 наименований и приложений на 50 листах. Объем диссертации составляет 170 страниц, включая 130 страниц текста, 6 таблиц, 49 иллюстраций.

Автор выражает признательность научному руководителю д.т.н. проф. Тер-Мартиросяну З.Г., глубоко благодарен научному консультанту к.т.н. Еремину В.Я. за ценные практические советы, постоянную помощь и поддержку, а также коллективу кафедры МГрОиФ МГСУ и сотрудникам фирмы «РИТА» за оказанную помощь при работе над диссертацией.

свая грунт песчаный

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформулированы задачи.

В первой главе изложены: история внедрения РИТ в геотехнике; сущность современной технологии изготовления свай-РИТ; ее основные преимущества; проведен анализ НС свай-РИТ по грунту на вдавливающую нагрузку и обоснована необходимость разработки новой методики расчета их НС.

Существенный вклад в свайное фундаментостроение внесли: М.Ю.Абелев, А.А.Бартоломей, Б.В.Бахолдин, В.Г.Березанцев, В.А.Гарбер, Н.М.Герсеванов, В.Н.Голубков, М.Н.Гольдштейн, М.И.Горбунов-Посадов, А.Л.Готман, А.А.Григорян, Б.И.Далматов, Н.М.Дорошкевич, Б.И.Дидух, Ю.К.Зарецкий, В.В.Знаменский, П.Л.Иванов, В.А.Ильичев, П.А.Коновалов, А.Л.Крыжановский, Ф.К.Лапшин, А.А.Луга, М.В.Малышев, Р.А.Мангушев, В.Е.Меркин, М.И.Никитенко, Е.М.Перлей, А.В.Пилягин, А.И.Полищук, Е.А.Сорочан, С.Н.Сотников, З.Г.Тер-Мартиросян, Ю.Г.Трофименков, В.М.Улицкий, С.Б.Ухов, А.Б.Фадеев, В.Г.Федоровский, Н.А.Цытович, В.И.Шейнин, В.Б.Швец, C.Terzaghi, H.Brandl, R.Katzenbach и многие другие.

Применение РИТ в геотехнике началось с 1962 г. (приоритет МИСИ №30166 от 5.06.62), под руководством д.т.н. Г.М.Ломизе было исследовано уплотнение водонасыщенных песчаных грунтов. Успешному развитию РИТ способствовали: Б.В.Бахолдин, Г.Н.Гаврилов, Б.И.Далматов, С.В.Бровин, В.М.Бухов, Я.Д.Гильман, А.М.Дзагов, Х.А.Джантимиров, В.С.Евдокимов, А.Л.Егоров, В.Я.Еремин, В.Л.Кубецкий, Н.М.Ромащенко, Л.А.Семушкина, В.М. Улицкий, Л.П.Хлюпина, Л.А.Юткин, Г.Н.Яссиевич, П.И.Ястребов и др. Большой вклад в совершенствование РИТ внесли сотрудники фирмы «РИТА».

Для изготовления свай-РИТ (рис. 1а), в скважину, заполненную бетонной смесью подвижностью П4…П5, погружают электроды, на которые с интервалом 3…10с подают импульсы электрического тока напряжением до 10кВ. В межэлектродном промежутке в момент пробоя бетонной смеси - электрического разряда - ЭВ, зарождается ударная волна, на месте разряда образуется быстро расширяющаяся камуфлетная полость (КП). Приведенная в движение бетонная смесь передает импульс давления окружающему грунту. Грунт в локальной зоне уплотняется, и поперечное сечение сваи увеличивается. КП схлопывается, заполняясь бетонной смесью под действием сил гравитации.

ЭВ имеет сходство с камуфлетным взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ). Но, в отличие от сваи с КУ, полученным взрывом заряда ВВ, КУ у сваи-РИТ создают серией щадящих ЭВ, за счет накопления пластических деформаций грунтом, окружающим источник возмущений. После серии ЭВ на заданных уровнях РИО, свая-РИТ приобретает гантелеобразную форму, а НДС грунта вокруг зон РИО существенно изменяется.

При испытаниях по ГОСТ 5686-94 подтверждается высокая НС свай-РИТ: при буровом диаметре d=180мм - более 50т, при d=250мм - превышает 100т, при d=300мм - 150т и более, при этом, осадки не превышают допустимых значений, а после снятия нагрузки, измеряются первыми мм. (рис. 1б). Однако, в связи с недостаточным обоснованием расчета их НС по грунту, приходится значительно занижать допускаемую нагрузку. В результате, НС свай-РИТ, устанавливаемая при испытаниях вдавливающей нагрузкой, в 2…4 раза превышает НС, рассчитываемую по СНиП 2.02.03-85 (п.4.6.), в 2…2,5 раза - по рекомендациям применения буроинъекционных свай (М: изд.НИИОСП, 1997 и 2001г.), а вычисленная по СП 50-102-2003 (п.7.2.6), имеет 2-х кратный запас.

Анализ результатов испытаний свай-РИТ и методов расчета их НС позволил сформулировать задачи исследований.

Во второй главе выделены особенности воздействия ЭВ на грунт, проведены теоретические исследования изменения НДС околосвайного грунта в процессе изготовления свай-РИТ, а также обоснован подход к расчету их НС.

Решением задач о НДС грунта вокруг расширяющейся полости (как в статической, так и в динамической постановке) занимался ряд исследователей: Г.К.Акутин, А.Ф.Беляев, А.А.Вовк, С.С.Григорян, Б.И.Дидух, Н.В.Зволинский, П.Л.Иванов, В.Г.Кравец, Н.В.Лалетин, Ф.К.Лапшин, Г.М.Ляхов, Г.И.Покровский, Б.П.Попов, Х.А.Рахматуллин, В.Н.Родионов, Г.В.Рыков, А.Я.Сагомонян, М.А.Садовский, В.И.Смирнов, Л.Р.Ставницер, И.И.Тамм, З.Г.Тер-Мартиросян, В.Г.Федоровский, Г.И.Черный, Р.С.Шеляпин, K.Terzaghi, H.G.Hopkins, A.D.Cox, P.Chadwick, H.S.Yu, J.P.Carter и многие другие.



По сравнению с изменением НДС грунта, в процессе бурения скважины и заполнения ее бетонной смесью, основное преобразование НДС происходит при РИО скважины - циклическом импульсном воздействии (удар-разгрузка) с накоплением остаточных деформаций и напряжений в грунте (рис. 2). Уплотненное состояние грунта должно обеспечивать неполную релаксацию его напряжений, а до некоторого остаточного значения, больше природного.

Точный прогноз размеров КУ ствола сваи-РИТ и зон преобразованного вокруг них НДС грунта - достаточно трудная задача. Основные сложности исследований импульсного пробоя в жидкостях состоят в относительном непостоянстве амплитуды возмущающего давления - рис. 3 и быстротечности процесса (менее 0,5мс) при высоких давлениях, достигающих в канале разряда n·109Па. К тому же, при ЭВ, размеры формируемых КУ, а, следовательно, ЗУ и зон измененного НДС вокруг них, зависят от многих факторов: вида грунта; состава бетонной смеси; параметров и количества ЭВ, и др.

Попытки рассчитать НС свай, изготовленных с помощью ЭВ, на основе расчета давления в канале разряда или путем “прямого” перерасчета энергии ЭВ в энергию взрыва ВВ (для использования опыта взрывного дела), реального успеха не имели. При сходстве общего характера волновых картин, установить количественное соотношение между взрывом ВВ и ЭВ не удалось, ошибка достигает 30…35%.

В тоже время, из теории камуфлетных взрывов известно, что радиусы получаемых КП и ЗУ вокруг них, кратны радиусам зарядов ВВ в тротиловом эквиваленте, то есть отвечают принципам теории геометрического подобия, не зависят от масштаба взрыва и глубины размещения заряда, а зависят только от характеристик грунта. Учитывая близкий характер динамического воздействия ЭВ и взрыва заряда ВВ, а также отсутствие у ЭВ массы и радиуса заряда, высказали гипотезу, что радиус ЗУ для каждого вида грунта пропорционален размерам КП. Другими словами, зная объем КП можно определить размеры ЗУ.

При изготовлении свай-РИТ, КП, создаваемая каждым ЭВ, тут же заполняется бетонной смесью, что фиксируется по ее осадке () в устье скважины (см. рис. 5в). Объем каждой КП, а также суммарный объем условной камуфлетной полости (УКП), не сложно вычислить. Допуская, что УКП имеет форму шара, искомое выражение для определения ее радиуса за серию из N ЭВ, начиная с первого, может быть представлено в виде

, (1)

где - радиус скважины, - радиус штанги с электродами.

Радиус сферического КУ сваи-РИТ, увеличивающегося с каждым последующим ЭВ, можно вычислять по формуле

(2)

Известно, что при погружении забивной сваи, в ее основании происходит внутренний выпор грунта с формированием ЗУ и зон, в которых изменяется НДС грунта. При этом размеры зон кратны диаметру (радиусу) забиваемой сваи. Образуемая полость в грунте при внедрении в него острия сваи, одновременно с образованием заполняется телом погружаемой сваи. Другими словами, диаметр данной полости соответствует диаметру забиваемой сваи . Учитывая 1-ю гипотезу, а также аналогию ЭВ и камуфлетного взрыва заряда ВВ, была высказана 2-я гипотеза о возможности распространения принципов теории пропорциональности и геометрического подобия размеров ЗУ и зон, в которых изменяется НДС грунта, размерам КП (УКП), независимо от способа их получения. То есть, если в результате РИО нижнего конца сваи-РИТ, будет сформирована УКП диаметром равным диаметру забивной сваи

, (3)

то, вокруг КУ сваи-РИТ, полученного серией ЭВ, сформируются зоны, в которых НДС грунта, с приемлемой для инженерной практики точностью, будет конгруэнтно НДС грунта у нижнего конца забивной сваи, условно погруженной в этот же грунт до центра УКП.

Учитывая, что НДС грунта, создаваемое в основании сваи, в итоге, определяет расчетное сопротивление грунта R под ее нижним концом, для расчета НС сваи-РИТ с УКП диаметром , можно использовать расчетные сопротивления грунта R, рекомендуемые для забивных свай (например по табл. 7.1 СП 50-102-2003 или табл. 1 СНиП 2.02.01-85).

Третья глава посвящена изучению влияния РИО на уплотнение грунтов и увязке РИО с результатами испытаний свай-РИТ вдавливающей нагрузкой.

Исследования выполнялась численным моделированием (с помощью программного комплекса Plaxis v8.2) и в натурных условиях (на реальных строительных объектах) (рис. 4). Сопоставляли результаты испытаний вдавливающей нагрузкой свай, изготовленных с различными параметрами РИО. Влияние РИО на уплотнение грунта изучалось методом динамического зондирования и отбором проб из выработок вокруг свай-РИТ с последующими лабораторными исследованиями этих проб.

Выявлено, что даже в результате РИО всего по 5 ЭВ на каждом уровне, происходит некоторое увеличение плотности, прочности и уменьшение деформируемости маловлажных песков средней плотности и рыхлых. Рыхлые пески уплотнились до средней плотности сложения. При этом песок между сваями-РИТ, изготовленными в качестве ограждения котлована, был устойчив и не требовал крепления. Стенки котлована на удалении (где исключалось влияние РИО), между элементами крепления были неустойчивы, осыпались.

По результатам зондирования и исследования свойств околосвайного грунта, также установлено его уплотнение вокруг КУ. Динамическое сопротивление зонду увеличивалось в 2…4 раза (на расстоянии до 0,5м). Графическое сравнение плотности грунта (d) до и после РИО (рис. 4в, г), свидетельствует, что вокруг КУ образуются ЗУ и зоны, в которых изменяется исходное НДС грунта, способствующее увеличению НС свай-РИТ.

Численное моделирование (рис. 4б) и натурные испытания свай, изготовленных с различными параметрами РИО, показали существенное влияние на характер кривых s=f(P) количества и размеров КУ (рис. 4а). В зависимости от характера воздействия РИО (в большей или меньшей степени) можно увеличить НС буровой сваи в 2…3 и более раз. Так, НС натурных 5-ти метровых свай-РИТ буровым =180мм оказалась 1,4…3,9 раза выше буровой, 2-х метровых - в 3,5…5,6 раза. Управляя РИО можно обеспечить требуемую НС сваи-РИТ по грунту. В данной серии исследований количественная оценка изменения НДС грунтов не проводилась.

В четвертой главе для подтверждения высказанных гипотез и предположений выполнены экспериментальные исследования в специально оборудованном лотке (рис.5). Изучалось влияние РИО (при изготовлении свай-РИТ) на изменение НДС и основных физико-механических характеристик маловлажных песков, средней крупности и пылеватого (зерновой состав приведен в табл. 1.), рыхлых и средней плотности сложения (е0 = 0,61…0,81). В главе приводятся результаты анализа экспериментов, в том числе выявленные закономерности и полученные зависимости.

Таблица 1. Гранулометрический состав исследованных песков.

Наименование песка	Содержание фракций
	мм	>10	10-5	5-2	2-1	1-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	<0,1
Средней крупности	%	0,0	0,9	4,6	14,5	23,2	40,9	15,4	0,5
Пылеватый	%	0,0	0,0	0,3	0,3	0,8	4,0	36,3	58,3

Опыты проводились при различной энергии (), накапливаемой в ГИТ - 3,6; 10,8 и 21,7кДж (при U0=const).

Песок в лоток укладывали послойно с уплотнением. На уровнях и расстояниях, заданных планом эксперимента (рис. 5а и 5б), закладывали реперы -4, датчики радиальных перемещений -5 и тензорезисторные преобразователи давления конструкции ЦНИИСК (тип М-70) -6. После заполнения лотка песком в обсадную трубу -7 подавали бетонную смесь подвижностью П-5, трубу извлекали на 30…35см, и на уровень №”0” погружали электроды, смонтированные на штанге -9, соединенные с ГИТ -10 коаксиальным кабелем -11. Далее осуществляли до 90 ЭВ. В процессе РИО фиксировали: - в обсадной трубе уровни бетонной смеси, расходуемой на заполнение КП; - положения штоков датчиков перемещений -5; - показания датчиков напряжений -6. По окончании РИО показания последних продолжали снимать до условной стабилизации напряжений.

Песок из лотка удаляли послойно с фиксацией остаточных деформаций грунта по положениям реперов -4 в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Исследовали физико-механические характеристики проб грунта. У откопанных свай-РИТ измеряли КУ (рис. 6) и сопоставляли с рассчитанными (по формуле 2). Отклонения в объемах не превышали 5%.

Для возможности анализирования и сопоставления деформаций разноудаленных точек грунта, полученных в результате различного числа ЭВ с разной энергией W0, была введена “универсальная” единица измерения - радиус УКП, образуемой на данный момент - (после N ЭВ), что позволило получить значения, отвечающие принципу подобия. Рассеянное семейство кривых (рис. 7а) представленное на рис. 7б в радиусах УКП - сливается. Подобная картина наблюдалась во всех опытах.

Перемещения штоков датчиков -5, показали нелинейную картину накопления необратимых деформаций в песке с увеличением числа ЭВ (рис.7в). Приращения уменьшаются с каждым ЭВ. Затухающий характер развития деформаций разноудаленных точек - идентичен. Наибольшая интенсивность роста КУ сваи-РИТ (кривая Rush) и остаточных деформаций в ближней к источнику ЭВ зоне грунта наблюдалась за первые 25-30 ЭВ, достигая 65-70% от общего значения деформации за весь опыт. После 60-70 ЭВ перемещения штоков от единичного импульса были соизмеримы с погрешностями измерений, однако полного прекращения перемещений зафиксировано не было даже при 90 ЭВ. Кроме того, наблюдаемая в начале каждого опыта большая разница показаний разноудаленных датчиков, постепенно выравнивалась.

Кривые, отражающие накопление остаточных деформаций (рис. 7в), с достаточной для расчетов точностью описываются функцией вида

(4)

где ur,N - радиальное перемещение грунта; u0 и ? - параметры, зависящие от вида грунта, начального положения рассматриваемой точки до очага ЭВ и накапливаемой энергии; N - число ЭВ; е - основание натурального логарифма.

Конечные радиальные перемещения реперов относительно источника возмущений убывают по гиперболической зависимости (рис. 7г). Сближение кривых указывает на то, что уплотнение грунта происходит с симметрией близкой к сферической.

Использование для иллюстраций перемещений грунта позволило четко выделить области с различной степенью его деформирования (рис. 7б). На расстоянии более , остаточные перемещения сопоставимы с погрешностью измерений. В ближней зоне (от до ) деформации возрастают, в области предельного уплотнения () - становятся весьма значительными. В опытах, соотношение размеров этих областей не зависело от параметров (W0, U, C, индуктивности цепи и др.) и количества ЭВ.

Модуль общей деформации грунта Е0 с каждым ЭВ увеличивается, приближаясь к модулю разгрузки - возрастает упругость грунта. В опытах с рыхлым песком Е0 изменился с 8…10МПа до 40МПа. При РИО с фиксированной энергией, накапливаемой в ГИТ, изменение модуля деформации следует рассматривать как функцию минимум двух аргументов: расстояния до центра ЭВ и числа циклов нагружения.

В результате исследования проб грунта, взятых по мере откопки свай на различном удалении от очага ЭВ, изменение влажности w не фиксировалось, но был установлен зональный характер распределения плотности скелета грунта (объемной деформации ) с удалением от центра ЭВ. Построенные по данным

опытов кривые (рис. 8) в исследуемом диапазоне

могут быть аппроксимированы следующей зависимостью

(5)

где - относительное расстояние от очага ЭВ до рассматриваемой точки (после РИО) в радиусах УКП; - радиус второго пикового значения плотности; K1, K2, m1, m2 - эмпирические коэффициенты.

Радиус ЗУ во всех опытах превышал 3,5 радиуса УКП ().

Среднюю плотность грунта в ЗУ можно определить из выражения

(6)

где N - количество произведенных ЭВ, - по ф-ле 1, - по ф-ле 2.

Изменение напряженного состояния грунта при динамическом воздействии свидетельствовало о непостоянстве амплитуд давления ЭВ, достигающем 50% между отдельными максимумами в серии последовательных ЭВ (рис. 9а). Скорость фронта “взрывной” волны, за границей скважины и далее в песке быстро снижалась до 150…180м/с, что согласуется с данными взрывов микро зарядов ВВ в маловлажных песках.

Закономерность распространения давлений “взрывной” волны (рис. 9б) с расстоянием от очага одиночного ЭВ может быть описана зависимостью

(7)

где 0 - коэффициент; - показатель адиабаты; - расстояние от центра ЭВ.

После каждого ЭВ фиксировалось изменение (накопление) остаточных радиальных напряжений, которое носило затухающий характер. Датчики находящиеся ближе к источнику возмущений фиксировали более значительные изменения остаточного напряженного состояния (рис. 9в).

Замеры радиальных напряжений после РИО показали их стабилизацию после незначительной релаксации за первые часы (рис. 9г). Можно считать, что радиальные обжимающие напряжения практически не релаксируют, сохраняя избыточное (по отношению к природному) напряженное состояние - достигаемый эффект является необратимым. Остаточные напряжения в грунте с удалением от центра ЭВ изменяются по гиперболической зависимости с максимумом на границе свая-РИТ-грунт.

Зона изменения напряженного состояния при динамическом воздействии превосходила размеры лотка, остаточные напряжения фиксировались на удалении , где .

Зафиксированные размеры ЗУ и зон изменения НДС грунта во всех экспериментах, независимо от параметров и количества ЭВ, оказались пропорциональны размерам УКП, что подтверждает правильность высказанных гипотез о распространении принципов теории пропорциональности и подобия их размеров размерам УКП.

Зная объем (радиус) УКП и коэффициент пропорциональности (для данного вида грунта), независимо от параметров ЭВ и их количества, можно определять размеры ЗУ и зоны изменения НДС грунта вокруг КУ сваи-РИТ. Объем УКП определяется суммированием объемов КП единичных ЭВ, и соответствует объему бетонной смеси осевшей в скважине.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов исследований: совершенствованию метода расчета НС висячих свай-РИТ по грунту на вдавливающую нагрузку; опытно-промышленному применению методики расчета при проектировании и строительстве СФ реальных объектов в Москве; предложены пути дальнейших исследований преобразования и возможности управления формированием НДС не только песков, но и других грунтов, а также излагается необходимость разработки методики расчета НС свай-РИТ по данным статического и динамического зондирования.

Зная диаметр поперечного сечения скважины заполненной бетоном ds и задаваясь требуемым диаметром УКП (см. условие 3), решая обратную задачу, получим величину осадки бетонной смеси в устье скважины в результате РИО грунта (после N ЭВ) в нижнем конце сваи-РИТ, при которой будет достигнуто НДС грунта, аналогичное НДС в основании забивной сваи

(8)

где - коэффициент, учитывающий потери бетонной смеси за счет ее уплотнения, налипания на стенки скважины и водоотдачи, .

При снижении уровня бетонной смеси в устье скважины (в результате РИО грунта в нижнем конце сваи-РИТ) не менее величины, определенной по (8), НС грунта под нижним концом висячей сваи-РИТ может быть вычислена по формуле

, (9)

где R - расчетное сопротивление под нижним концом забивной сваи, принимаемое по табл.7.1 СП 50-102-2003; - коэффициент, учитывающий условия работы сваи, принимается согласно СП 50-102-2003, ; - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи-РИТ, принимается , как для забивной сваи; А - площадь поперечного сечения сваи-РИТ, принимается по площади поперечного сечения скважины .

В отличие от забивной сваи, у которой максимальные размеры образуемой телом сваи полости в грунте, ЗУ и зоны изменения НДС лимитируются сечением сваи, у сваи-РИТ при продолжении РИО в забое скважины, можно получить УКП, диаметр которой больше диаметра забивной сваи и изменить НДС в зонах большего размера, чем у забивной сваи. Данное преимущество свай-РИТ перед забивными позволяет наиболее полно использовать НС грунта.

При осадке бетонной смеси , коэффициент можно принимать как для свай с КУ, а площадь поперечного сечения сваи-РИТ в зоне КУ определять по его наибольшему диаметру (радиусу, см. ф-лу 2).

До проведения экспериментальной РИО свай-РИТ на объекте в конкретных грунтах и получения фактических значений диаметров КУ (), их значение рекомендуется ограничивать диаметром пройденной скважины ds, умноженным на коэффициент уширения . Коэффициенты установлены опытным путем в зависимости от бурового диаметра сваи, вида и разновидности грунта (приведены в ТР 50-180-06).

НС сваи-РИТ на боковой поверхности может вычисляться путем использования расчетных сопротивлений грунта fi на боковой поверхности сваи по табл. 7.2 СП 50-102-2003. Образуемые КУ по стволу сваи-РИТ учитываются введением коэффициента , как для свай с КУ. Периметр поперечного сечения сваи-РИТ в зоне РИО определяется исходя из среднего значения диаметров поперечного сечения dij ствола сваи в i-том слое грунта с учетом n j-тых КУ.

Рассчитанная по такому принципу НС свай-РИТ приближается к данным, полученным при их контрольных испытаниях вдавливающей нагрузкой по ГОСТ 5686-94, с запасом 15…20%.

При устройстве СФ под высотный дом (h=120м) на пр-те Вернадского-37, за счет использования предложенной методики, разместили 899 свай-РИТ d=300мм в фундаментной плите площадью 1570м2 и заменили запроектированные ранее сваи d=1м. Деформации здания массой 128000т стабилизировались за 2 года, при равномерной осадке менее 40мм. Эффективность применения свай-РИТ на этом объекте превысила 200млн. руб.

В Семеновском пер.-21 на сваях-РИТ, рассчитанных по предложенной методике, возведено первое высотное (35-ти этажное) здание по программе “Новое кольцо Москвы”.

Предложенный метод определения НС свай-РИТ, использующий проверенную практикой существующую нормативную базу, вошел в Технические рекомендации по проектированию и устройству свай-РИТ (ТР 50- 180-06), утвержденных Руководителем департамента градостроительной политики развития и реконструкции Москвы (приказ №96 от 6 мая 2006 г).

Следует отметить, что наблюдается эффект увеличения НС свай-РИТ по грунту во времени. Сваи-РИТ под жилой комплекс на ул. Профсоюзная -64, испытанные через месяц после изготовления вдавливающей нагрузкой 196т показали осадку около 7,8 и 9,6мм. Строительство было остановлено и при испытаниях нагрузкой 240 и 260т через 8 месяцев на том же объекте сваи-РИТ имели осадку 6,1 и 5,3мм.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Высокая НС свай-РИТ по грунту (до 200т и более при буровом диаметре скважины 320мм), обусловлена изменением НДС грунта вокруг зон РИО. Рост КУ ствола сваи-РИТ, накопление остаточных деформаций в грунте и увеличение радиальных напряжений, обжимающих ствол сваи, определяет увеличивающийся с каждым ЭВ размер УКП.

Объем УКП зависит от параметров и числа ЭВ, является интегральной характеристикой РИО грунта при изготовлении свай-РИТ, вычисляется путем суммирования объемов единичных КП, образующихся при каждом ЭВ.

В маловлажных песчаных грунтах, напряжения и деформации затухают по гиперболическим зависимостям с увеличением расстояния от центра ЭВ. Характер кривых, отражающих накопление пластических деформаций, одинаков как для разноудаленных точек, так и для песков различной крупности. Сформированное поле избыточных радиальных напряжений в грунте вокруг КУ сваи-РИТ практически не релаксирует, сохраняя избыточное (по отношению к природному) напряженное состояние грунта, то есть достигаемый эффект является необратимым.

В исследуемом диапазоне энергий размеры ЗУ и зон изменения НДС маловлажных песчаных грунтов вокруг КУ свай-РИТ, независимо от параметров и количества ЭВ сохраняют пропорциональность (геометрическое подобие) размерам УКП, формируемой серией ЭВ на данный момент, то есть размеры зон являются функцией объема УКП.

В результате РИО в радиусе 3,5 УКП () вокруг формируемого КУ сваи-РИТ увеличиваются плотность, модуль деформации и прочность маловлажных песков средней плотности и рыхлых, что подтверждает аналогию действия ЭВ и камуфлетных взрывов малых зарядов ВВ, где также размеры ЗУ принимают равной , и практически сопоставимо с уплотнением песка при погружении забивной сваи, где размеры ЗУ принимают равными 3,0 диаметрам сваи (3dzs).

В результате управляемой РИО нижнего конца сваи-РИТ до достижения диаметра УКП не менее диаметра забивной сваи, вокруг КУ формируются ЗУ, а также зоны деформаций и изменения напряжений, конгруэнтные соответствующим зонам деформаций и напряжений у нижнего конца забивной сваи. Критерием оценки служит величина осадки бетонной смеси в устье скважины, превышающая 2/3 диаметра скважины.

При выполнении приведенного выше условия, для предварительных расчетов НС грунта под нижним концом сваи-РИТ можно использовать расчетные сопротивления грунта R, принятые под нижним концом забивной сваи (по табл.7.1 СП 50-102-2003 или табл.1 СНиП 2.02.01-85), установлены пределы применимости этого положения.

Рассчитанная с помощью данной методики НС свай-РИТ значительно точнее приближается к данным, полученным при их контрольных испытаниях вдавливающей нагрузкой по ГОСТ 5686-94, с запасом до 15…20%, что позволяет значительно снизить нерациональный расход ресурсов при их изготовлении.

Результаты испытаний свай с интервалом в 8 месяцев также свидетельствуют о практическом отсутствии релаксации грунта вокруг КУ свай-РИТ, доведенного путем РИО до упруго-уплотненного состояния, и доказывают прирост НС свай-РИТ по грунту во времени. Данный пример, наряду с другими подтверждает эффективность применения свай-РИТ в основании зданий повышенной этажности.

Опыт применения свай-РИТ и выполненные исследования по взаимодействию свай-РИТ с окружающим грунтом, позволили разработать Технические рекомендации по проектированию и устройству свай-РИТ для зданий повышенной этажности и сооружений 1-го (повышенного) уровня ответственности - ТР 50-180-06 (утверждены Правительством Москвы 6 мая 2006 г.).

Разработано новое конструктивное решение узла соединения секций арматурных каркасов свай, работающих на сжатие (патент РФ на полезную модель № 51639 - в соавторстве).

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ВВ - взрывчатое вещество;

ГИТ - генератор импульсных токов;

ЗУ - зона уплотнения;

КП - камуфлетная полость;

КУ - камуфлетное уширение;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

НС - несущая способность;

РИО - разрядно-импульсная обработка;

РИТ - разрядно-импульсная технология;

СФ - свайный фундамент

УКП - условная камуфлетная полость;

ЭВ - электровзрыв.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Тер-Мартиросян З.Г., Еремин В.Я., Буданов А.А. О повышении несущей способности свай, изготовляемых по разрядно-импульсной технологии //Информационный научно-технический журнал Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2004. № 1(60). - с. 60-62.

Еремин В.Я., Буданов А.А. Высотным зданиям - надежный фундамент! //Информационный научно-технический журнал Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2005. № 10(81). - с. 65-67.

Еремин В.Я., Буданов А.А. Деформируемость песчаных грунтов при изготовлении свай по разрядно-импульсной технологии (РИТ) // Научно-технический журнал Вестник МГСУ - 2006. № 1. - с. 150-163.

Пат. 51639. Российская Федерация, МПК7 Е 02 D 5/32, Е 04 С 5/18, Е 04 G 21/12. Узел соединения армирующих стержней центрально сжатых железобетонных элементов / Мадатян С.А., Еремин В.Я., Еремин А.В., Буданов А.А., Раянов С.Ф., Сарафанов Н.В.; опубл. 27.02.06 Бюл. № 6.

Кубецкий В.Л., Еремин В.Я., Иванов В.В., Буданов А.А. Устройство фундаментов зданий повышенной этажности в Москве с использованием свай-РИТ // Информ.-технический журнал СтройКлуб - 2006. №2-3 (58-59). - с. 7-18.

Еремин В.Я., Еремин А.В., Буданов А.А. К расчету висячих свай, устраиваемых с использованием разрядно-импульсной технологии. / Труды Международной научно-технической конференции (3-5 октября 2006 г. Уфа) Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях. Том 1. Уфа, 2006, с. 76-79.

Еремин В.Я., Еремин А.В., Буданов А.А. Зона уплотнения грунта вокруг камуфлетного уширения сваи, полученного серией электровзрывов (к расчету свай-РИТ). / Труды Международной научно-технической конференции (3-5 октября 2006 г. Уфа) Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях. Том 1. Уфа, 2006, с. 80-84.

Еремин В.Я., Еремин А.В., Сарафанов Н.В., Буданов А.А. Некоторые проблемы качества буровых свай. / Труды Международной научно-технической конференции (3-5 октября 2006 г. Уфа) Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях. Том 1. Уфа, 2006, с.85-96.

Тер-Мартиросян З.Г., Еремин В.Я., Буданов А.А. Обоснование методики расчета несущей способности грунта под нижним концом висячих свай-РИТ. / Материалы Академических чтений по геотехнике (22-23 ноября 2006 г. Казань) Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики механики грунтов и фундаментостроения. Казань, 2006, с. 122-131.

Размещено на Allbest.ru

...