Несуча здатність буронабивних паль у вапняку-черепашнику

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

05.23.02 - Основи і фундаменти

УДК 624.131.524.4: 624.131.253

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ БУРОНАБИВНИХ ПАЛЬ У ВАПНЯКУ-ЧЕРЕПАШНИКУ

Новський

Василь Олександрович

Одеса

2010



ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИС

Роботу виконано в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тугаєнко Юрій Федорович,

Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри основ і фундаментів, м. Одеса

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зоценко Микола Леонідович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри "Видобування нафти і газу та геотехніки", м. Полтава;

кандидат технічних наук, професор Корнієнко Микола Васильович,

Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри основ і фундаментів, м. Київ.

Захист відбудеться " 3 " грудня 2010 року о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.03 в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4, а. 360.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 4.

Автореферат розісланий " 1 " листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Пивонос В.М.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Грунтову основу одеського регіону складає лесова товщина потужністю 6-23 м, яку підстилають породи третинного віку, представлені червоно-бурими глинами і понтичними вапняками.

Зведення будинків підвищеної поверховості з багатоярусними підземними приміщеннями, а також підсилення фундаментів викликають необхідність використання вапняку-черепашнику у якості основ різних видів фундаментів і, в першу чергу, із буронабивних паль.

Механічні властивості вапняку-черепашнику практично не вивчені. У матеріалах вишукувань для цих порід наводяться відомості про межу міцності на одноосьовий стиск.

Параметри, що визначають опір стисненню під п'ятою та зсування по бічній поверхні буронабивних паль - відсутні. Немає відомостей про зміну міцнісних та деформативних властивостей вапняків з урахуванням анізотропії, які необхідні при проектуванні анкерних конструкцій для сприйняття горизонтальних і похилих навантажень.

Розробка методів щодо визначення показників деформативних і міцнисних властивостей вапняку-черепашнику у лабораторних і польових умовах та їх використання в практиці проектування пальових фундаментів є актуальним завданням для грунтових умов одеського регіону. Ефективне використання вапняку-черепашнику у виді основи фундаментів будівель та споруд можливе за умови впровадження у практику проектування та будівництва результатів нових досліджень, шляхом створення бази регіональних показників механічних характеристик цих порід і корегування існуючих методів розрахунків.

Зв'язок з науковими роботами, планами і темами.

Дисертаційна робота виконана в рамках наукових досліджень з держбюджетних та госпдоговірних тем Одеської державної академії будівництва та архітектури з проблеми "Дослідження роботи фундаментів, пальових фундаментів і їх основ" (державний реєстраційний номер 0109U003002) та наукової тематики кафедри основ і фундаментів ОДАБА.

Метою дисертаційної роботи є експериментальні дослідження параметрів, що визначають несучу здатність буронабивних паль у вапняку-черепашнику.

Для реалізації поставленої мети автором сформульовані і вирішені наступні завдання:

- проведені комплексні експериментальні дослідження параметрів опору порід навантаженням від буронабивних паль як в лабораторних, так і в натурних умовах;

- досліджені особливості процесу, що визначає спільну деформацію буронабивних паль і вапняку-черепашнику, на базі чого встановлено характер розподілу навантаження опором по боковій поверхні і під підошвою палі;

- розроблена методика, що дозволяє за залежністю деформацій від навантаження, що передається на палю, визначати поетапне включення в роботу фрагментів стовбура палі і опір по її бічній поверхні;

- вивчено вплив анізотропії та водонасичення вапняку-черепашнику на його механічні характеристики;

- розроблена методика визначення структурної міцності вапняку-черепашнику в лабораторних умовах;

- встановлені регіональні коефіцієнти умов роботи буронабивних паль у вапняку-черепашнику і значення опору зрушенню вздовж бічної поверхні, що дозволило розробити рекомендації розрахунку їх несучої здатності на вдавлювальні і висмикувальні навантаження.

Об'єкт досліджень.

Вапняк-черепашник, його властивості, що характеризують опір навантаженням.

Предмет досліджень. Вивчення параметрів, що визначають несучу здатність буронабивних паль у вапняку - черепашнику.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань використовувалися експериментальні та розрахункові методи, які включали:

- стандартні і розроблені за участю автора методи щодо визначення механічних характеристик вапняку-черепашнику в лабораторних умовах;

- стандартні методи досліджень паль в польових умовах з їх доповненням методикою циклічно-зростаючого навантаження.

Засоби вимірювальної техніки перевірені в установленому порядку. Метрологічне забезпечення відповідає Закону України "Про метрологію та метрологічну діяльність".

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті проведеної роботи були отримані наступні наукові результати:

- удосконалено методику польових досліджень паль вдавлювальними і висмикувальними навантаженнями з використанням методу циклічно зростаючого навантаження, що дозволяє визначати повні, залишкові та пружні деформації на кожному ступені завантаження, а також поетапне включення в процес деформування бічної поверхні паль при збільшенні навантаження; розроблений і використаний при дослідженнях прилад для визначення структурної міцності напівскельних порід, на який отримано патент України;

- вперше виконані комплексні дослідження вапняку-черепашнику одеського регіону в лабораторних умовах і натурними буронабивними палями з визначенням показників механічних характеристик з урахуванням водонасичення і анізотропії;

- експериментально визначена трансформація опору зрушенню вздовж бокової поверхні буронабивних паль при навантаженнях, що перевищують граничний опір зрушенню;

- визначені показники механічних властивостей вапняка-черепашника для умов одеського регіону, необхідні для визначення несучої здатності буронабивних паль;

- одержані залежності структурної міцності при граничному опору зрушенню від міцності на одноосьовий стиск, що спростовує їх визначення при вишукуванні;

- запропонована методика визначення несучої здатності буронабивних паль на вертикальні вдавлюваючі і висмикуваючі навантаження з використанням регіональних показників механічних характеристик вапняку-черепашнику.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- визначені особливості роботи буронабивних паль у вапняку-черепашнику при дії вдавлюваючих і висмикуваючих навантажень, що дозволило вважати цю гірську породу напівскельною;

- одержані дослідні результати про вплив анізотропії та водонасичення вапняку-черепашнику на його механічні властивості, визначені коефіцієнти, що враховують ці фактори;

- визначені значення показників опору зрушенню по бічній поверхні буронабивних паль і розрахункового опору під їх підошвою для порід одеського регіону;

- розроблені рекомендації щодо визначення несучої здатності буронабивних паль на вдавлюваючих і висмикуваючих навантаженнях з використанням результатів виконаних досліджень.

Результати роботи використані при проектуванні і зведенні та посиленні фундаментів 7-ми будинків і споруд у м. Одесі. Економічний ефект від впровадження досліджень на об'єктах ТОВ "БМУ № 533", ТОВ "Проектна група", ПП "Відновлення південь", ДП МОУ "Одеський проектний інститут", НВЦ "Екобуд" склав 197 тис. грн., що підтверджується довідками та актами.

Індивідуальний внесок автора. Результати досліджень, включені в дисертацію, отримані автором самостійно.

У публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає в: [1] - визначенні несучої здатності буронабивних паль, що опираються на вапняк-черепашник, аналізі отриманих результатів; [4] - апробації методики циклічно зростаючого навантаження при випробуванні паль-анкерів на висмикуваючі навантаження, визначення поетапного включення в роботу арматури і бетону уздовж стовбура палі; [2; 7] - одержані і оброблені результати натурних випробувань паль вдавлюваючими навантаженнями з використанням методики циклічно зростаючого навантаження і релаксації напружень; [8] - визначені показники структурноі міцності вапняку-черепашнику у лабораторних умовах.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися на міжнародних науково - технічних конференціях і форумах: "Сучасне будівництво: конструкції, технології, перспективи." (Полтава, 2004 р.); "Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях" (Уфа, 2006 г.); "Інженерні рішення та інновації у будівництві та архітектурі" (Одеса, 2009 р.); "Геотехнические проблемы мегаполисов" (Москва, 2010 г.); Всеукраїнських науково-технічних конференціях: "Механіка грунтів, геотехніка та фундаментобудування" (Полтава, 2008 р.); Науково-технічних конференціях: СПбГАСУ (Санкт-Петербург) 2006 - 2008 г.г.; Гидрогео-1, "Морские и речные порты. Портовые сооружения." (Одесса) 2009 г.; ОДАБА (Одеса) 2005 - 2010 р.р. Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 статей, з них 6 статей (в тому числі 2 - одноосібно) у спеціалізованих виданнях ВАК. Патент на винахід № 86423 27.04.2009 "Спосіб визначення показників структурної міцності низькопористих глинистих і напівскельних грунтів".

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 128 найменувань на 14 сторінках, двох додатків на 34 сторінках, 64 рисунків і 40 таблиць. Обсяг основного тексту складає 125 сторінок, а також 8 сторінок, що повністю зайняті рисунками і таблицями.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність проблеми, наукова новизна і практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі проаналізовані особливості спільної роботи паль різних конструкцій з основою й методи випробування грунтів ними. Викладені сучасні принципи оцінки несучої здатності паль, особливості деформування понтичних вапняків одеського регіону при випробуванні їх штампами і палями. Визначені завдання досліджень

Протягом багатьох десятків років вченими, які займаються проблемами фундаментобудування, виконуються дослідження спільної роботи різних конструкцій паль у різних грунтових умовах. Цьому питанню присвячено велику кількість робіт відомих вчених: А.О. Бартоломея, Б.В. Бахолдіна, І.П. Бойка, Ю.Л. Віннікова, М.М. Герсеванова, В.М. Голубкова, Б.В. Гончарова, А.Л. Готмана, А.О Григорян, М.С. Грутмана, Б.І. Далматова, Н.М. Дорошкевич, Н.Ф. Друкованного, М.Л. Зоценка, В.О. Іллічова, С.М. Клепікова, П.А. Коновалова, М.В. Корнієнка, В.І. Крутова, О.О. Луги, І.Я. Лучковського, І.В. Матвєєва, А.С. Моргун, М.І. Нікітенка, О.О. Петракова, А.І. Работнікова, А.Е. Радугіна, С.А. Слюсаренка, Є.А. Сорочана, В.Г, Таранова, Ю.Ф. Тугаєнка, І.В. Финаєва, А.Е. Хакимова, В.Г. Шаповала, В.Б. Швеця, О.В. Школи, H. Brandl, R. Frank, A. Kezdi, G. Meyergof, P. Seko e Pinto, D. Tejlor, K. Terzaghi та інших, які експериментально отримали дані розподілу сил тертя уздовж бічної поверхні і опору під вістрям палі, встановили закономірності їх розвитку зі збільшенням навантаження аж до досягнення процесу руйнування грунтової основи.

Значний обсяг досліджень спільної роботи паль різних конструкцій з навколишнім середовищем виконаний на кафедрі основ і фундаментів ОІБІ (нині ОДАБА) докторами технічних наук, проф. Голубковим В.М., Тугаєнком Ю.Ф. та їх учнями: Догадайло А.І., Кодряновою Р.М., Колесніковим Л.І., Марченком М.В., Матусом Ю.В., Митинським В.М., Нахмуровим О.М., Новським О.В., Пивоносом В.М., Ткалічем А.П. та інш. Експериментально встановлено характер деформування системи паля - грунти основи, який полягає в тому, що при збільшенні навантаження відбувається послідовне деформування системи паля-основа. З кожним подальшим щаблем навантаження збільшується довжина ділянки палі, в межах якої прикладене навантаження врівноважується силами бічного тертя. У межах стисненої ділянки спостерігаються як пружні, так і залишкові деформації. Навантаження, які перевищують граничні значення бічній силі тертя, передаються підошвою палі на ущільнене ядро, в межах якого наростають пружні і залишкові деформації. При напруженнях на нижній межі ущільненого ядра, що перевищують структурну міцність, починають наростати деформації в межах природного грунту. Удосконалюються методи вивчення напружено-деформованого стану системи: паля - грунт основи, що дозволяє уточнити методи розрахунку несучої здатності паль різних конструкцій.

Однак, незважаючи на значний обсяг досліджень, багато питань, що стосуються спільної роботи паль з основою, залишаються маловивченими. Існуючі методи оцінки несучої здатності паль, в тому числі буронабивних, не враховують всього спектру факторів, що впливають на її значення. Маловивченими залишаються питання роботи буронабивних паль в грунтових умовах, характерних для окремих регіонів. До таких умов відноситься геологічна будова грунтових товщ одеського регіону, яка характеризується наявністю вапняку-черепашнику, що залягає на глибинах 4-23 м від поверхні. У зв'язку з розвитком висотного будівництва та необхідністю пристрою багаторівневих підземних обсягів, виникає необхідність глибокого вивчення будівельних властивостей вапняку-черепашнику, а також особливостей спільної роботи буронабивних паль з цією породою.

У нормативних документах відсутні дані про опір зрушенню вздовж бокової поверхні буронабивних паль і розрахункового опору під їх п'ятою, якщо основою є вапняк. Наявні окремі дані про поведінку вапняку-черепашнику під навантаженням свідчать про те, що він не є скельною основою, тому використання методу розрахунку паль в цій породі як паль-стійок не відповідає реальним процесам деформування середовища. У зв'язку з цим вивчення питань, пов'язаних з визначенням параметрів, які визначають несучу здатність буронабивних паль у вапняку-черепвшнику, є актуальною проблемою.

У другому розділі проаналізовані геологічні умови одеського регіону, а також існуючі методики вивчення напружено-деформованого стану паль з основою, у тому числі і буронабивних. Обгрунтована і представлена методика натурних досліджень спільної роботи буронабивних паль і їх основ циклічно зростаючими стискаючими і висмикуючими навантаженнями, яка отримала подальший розвиток. Розроблено методику визначення структурної міцності вапняку-черепашнику із застосуванням удосконаленого компресійного приладу.

Геологічна будова грунтових товщ одеського регіону в південній частині Причорноморського плато, представлена відкладами четвертинного і третинного періоду. Під комплексом лесових порід потужністю від 6 до 23 м (ІГЕ-2 - 6) залягає червоно-бура глина (ІГЕ-7), яку підстилають понтичні вапняки неогену. На рис.1 наведені колонки інженерно-геологічних умов деяких майданчиків у межах міста Одеси, на яких були проведені дослідження властивостей вапняку-черепашнику як автором, так і іншими фахівцями кафедри основ і фундаментів ОДАБА.

Товща вапняків складена породами, які генетично відрізняються за глибиною. Верхні і нижні горизонти представлені жорствою, що чергуються з прошарками відкладень перекристалізованого вапняку з глинистим заповнювачем (ІГЕ-8, 9 і 10), товщиною від 0,2 до 0,6 м. Між ними залягає вапняк-черепашник, що отримав назву "пильний" (ІГЕ-10). Горизонт "пильних" вапняків у розглянутому регіоні не має суцільного поширення. Їх потужність не перевищує 10 м. Межа міцності на одновісний стиск коливається в межах 0,3-2,3 МПа, а пористість - від 42 до 59%.

Опір зрушенню f_с уздовж бічної поверхні буронабивних паль у лабораторних умовах і межу міцності на одноосьовий стиск R_c визначали на силовому стенді, що представляє собою прес, схема якого показана на рис. 2.

Виготовлення моделей паль 21 і довжиною 140 мм проводили зі збереженням нижче підошви порожнини, що дозволило забезпечити передачу навантаження на вапняк-черепашник за контактом бічної поверхні стовбура з внутрішньою поверхнею свердловини. Армування стовбура виконували стрижнями із сталевого дроту 3 мм, а верхній торець посилювали обрізком труби 1/2 дюйма на висоту 50 мм. Межу міцності на одноосьовий стиск визначали відповідно до стандарту на зразках кубічної форми з розмірами граней 70 мм.

Для визначення структурної міцності p_str вапняку-черепашнику застосована нова методика з використанням розробленого за участю здобувача приладу ПВСМ (прилад для визначення структурної міцності) для твердих глин і напівскельних порід, на який отримано патент України. Схема приладу показана на рис. 3.

Цей прилад дозволяє визначити p_str в умовах відсутності навколо обсягу стискання зразка жорстких стінок кільця. Під структурною міцністю вапняку-черепашнику слід розуміти тиск, який врівноважується міцністю черепашок і кристалічних зв'язків на їх контактах. Значення p_str рекомендується визначати за графіком (рис. 4) залежності переміщення штампа від навантаження, який має чітко виражені дві гілки. Перша - відповідає пружним деформаціям, які виникають перед подоланням структурної міцності, друга - руйнуванню породи і розвитку залишкових деформацій.

Величину структурної міцності слід визначати за проекцією точки перетину гілок графіка на вісь навантаження.

За основу випробувань натурних паль прийняті стандартні випробування з дотриманням вимог ДСТУ Б.В.2.1-1-95 (ГОСТ 5686-94) і БНіП 2.02.03-85 доповнені тим, що випробування східчасто зростаючим навантаженням замінено циклічно зростаючим. Застосована методика досліджень дозволила одержати залежність повної величини переміщень паль і їх складових від навантаження. Отримані дані дають можливість визначити не тільки залежність переміщення голови палі від вдавлюваючих і висмикуваючих навантажень і її граничний опір, але також опір зрушенню на окремих ділянках довжини стовбура; значення граничного опору по боковій поверхні палі; величину навантаження, що передається підошвою палі і її граничне значення. Довжину розтягнутої ділянки палі-анкера (стисненої ділянки палі, при дії вдавлюючого навантаження) визначаємо з використанням закону Гука:

? _{v, і} = E_s · S_{v, y.і} / у_с,і (1)

де:

Е_s - модуль пружності арматурної сталі, рівний 1,9 · 10⁵ МПа;

S_v,yi - пружна складова виміряної деформації на і-тій ділянці довжини палі; у_{ср, i} - середнє значення напруження в арматурному стрижні в межах довжини деформованого фрагменту;

у_{ср, i} = 0,5 Р_{v, .i} / A_s,

де А_S - площа поперечного перерізу арматурного стрижня.

Опір по боковій поверхні на кожному i-тому фрагменті довжини палі можна визначити за відношенням приросту навантаження до площі бічної поверхні:

Дf_і = Д P_{v, i} / Д ? _{v, і} · u (2)

В третьому розділі наведені результати лабораторних та натурних досліджень параметрів опору вапняку-черепашнику вдавлювальним і висмикуваючим навантаженням, які передаються буронабивними палями. Дослідами визначалися граничні значення R_c; p_str та f_c. Для визначення кожної характеристики виконано від 4 до 25 серій випробувань. В кожній серії від 2 до 5 досліджень. В серіях використані зразки з різною міцністю (R_c = 0,4…2,0 МПа). Граничні значення опору для кожної характеристики оцінювались в залежності від напрямку вектора навантажень (поперек і вздовж нашарування); стану породи (в повітряно-сухому і після водонасичення).

При випробуваннях вертикальним навантаженням поперек шаруватості одержані наступні результати:

Міцність на одноосьовий стиск "R_c" визначена поперек шаруватості в повітряно-сухому стані і після водонасичення, а також вздовж шаруватості в повітряно-сухому стані. Значення міцності вздовж шаруватості майже вдвічі вища, ніж поперек. При водонасиченні значення поперек шаруватості знижується в середньому на 25%. При цьому зниження для зразків з R_c ? 0,5 МПа складає 12%, а з R_c = 0,5 - 1,0 МПа - 32%.

Структурна міцність "p_str" вища за міцність на одноосьовий тиск і залежить від його значення. З підвищенням міцності на одноосьовий тиск відносне значення p_str/R_c знижується. Так при R_c = 0,45 МПа одержано значення структурної міцності 1,75 МПа (p_str /R_c = 3,89), а при R_c = 2,19 МПа p_str = 2,48 МПа (p_str /R_c = 1,13).

Опір зрушенню "f_c" для всіх зразків з різною міцністю в повітряно-сухому стані співпадає з міцністю на одноосьовий стиск, але для зразків з різною міцністю коливається в більшу і меншу сторону від середньо- арифметичного значення. Значення цієї характеристики знизилось при випробуваннях після водонасичення в середньому на 11%. Для зразків з R_c ? 0,5 МПа на 19% і для R_c = 0,5 - 1,0 МПа на 5%.

При випробуваннях вздовж шаруватості при повітряно - сухому стані одержані наступні результати:

Міцність на одноосьовий стиск "R_c,а" вздовж шаруватості в 1,9 раза перевишує міцность поперек шаруватості. В інтервалі міцності R_c= 0,5 - 1,0 МПа структурна міцність "p_str" в 3,8 раз вища за міцність на одноосьовий стиск.

Опір зрушенню вздовж шаруватості на 16% нижче ніж поперек. Його середньоарифметичне значення співпадає із значенням міцності на одноосьовий стиск у поперечному напрямку, але майже вдвічі менше міцності на одноосьовий стиск у повздовжньому напрямку. Основні середні значення, одержані в проведених дослідженнях, представлені в табл.1.

Таблиця 1

Середні значення основних результатів за визначенням параметрів опору вапняку-черепашнику навантаженням

Кіль-кість серій	Інтервал Rc, МПа	Ссредні значення параметрів, МПа
		Rc	Rc, sof	Rc, a	pstr	pstr, sof	pstr, a	fc	fc, sof	fc, a
25	0,39-1,30	0,77	-	-	-	-	-	0,78	-	-
16	0,41-1,30	0,80	-	-	1,79	-	-	-	-	-
6	0,41-0,99	0,67	0,50	-	-	-	-	0,83	0,74	-
5	0,5-0,98	0,75	-	1,42	-	-	-	0,88	-	0,75
4	0,5-0,98	0,71	-	-	-	-	2,73	-	-	-
6	0,41-0,99	0,81	-	-	1,61	1,01	-	-	-	-

При проведенні досліджень моделей паль після "зриву", наслідком якого було руйнування непорушеної структури вапняку-черепашнику, виконувались повторні дослідження для визначення залишкових сил тертя вздовж зруйнованої поверхні. Для визначення опору зрушеного і сил тертя вздовж бічної поверхні палі навантаження виконувались 2 рази, до "зриву" і після.

Встановлено, що опір зрушенню f_с уздовж бічної поверхні палі на елементарному майданчику реалізується при переміщеннях порядку 0,1-0,3 мм, при цьому зсув відбувається не за контактом бетону палі і грунту, а за вапняком-черепашником.

Величина f_с в зразках різної міцності при розташуванні модельних паль перпендикулярно шаруватості склала 0,32-1,39 МПа, а середнє значення - за 28 серіями - 0,81 МПа. У водонасиченому стані значення f_sof склало 0,39-1,09 МПа, а середнє значення за 6 серіями - 0,74 МПа.

Результати 14-ої і 15-ої серій випробувань наведені на рис. 6.

а б

Рис. 6. Графіки залежності переміщення моделей буронабивних паль при повітряно-сухому стані породи (а) і після водонасичення (б). Цифрами позначені серія і номер випробування

При розташуванні палі вздовж шаруватості породи середні значення f_с,a у повітряно-сухому стані склали 0,74 МПа. Повторне завантаження паль після "зриву" підтвердило припущення щодо зниження опору зрушенню. Середнє значення f за результатами 8 серій зменшилося з 1,07 до 0,71 МПа.

Результати польових випробувань натурних паль-анкерів наведені на рис.7 та табл. 2.

Рис. 7. Графік зміни сил тертя по боковій поверхні на фрагментах довжини палі-анкера



Таблиця 2

Параметри ПДВ палі-анкера №4 і грунтів основи

Рv кН	sv,у см	?v см	еs?10-4	Д Pv кН	Д ?v м	Д Af м2	Д fс МПа	Hi м	Участки
100	0,12	276	4,27	100	2,76	1,30	0,077	1,38	I
150	0,22	351	6,41	50	0,75	0,53	0,141	3,13	II
200	0,35	409	8,56	50	0,58	0,27	0,183	3,80	III
250	0,48	449	10,69	50	0,40	0,19	0,265	4,29	IV

За результатами польових випробувань модельних паль вдавлюючим навантаженням і натурних паль-анкерів висмикуючим навантаженням, середнє значення f_с у вапняку-черепашнику дуже низької міцності (R_c = 0,3 МПа) склало 0,25 МПа.

У четвертому розділі виконано узагальнення результатів експериментальних досліджень, встановлено вплив вологості та анізотропії вапняку-черепашнику на його механічні характеристики, наведені відповідні коефіцієнти. Встановлено зв'язок між межею міцності на одновісний стиск, структурною міцністю і опором уздовж бічної поверхні буронабивних паль.

Шар вапняку-черепашнику відноситься до анізотропного середовища. Параметри його механічних властивостей залежать від напрямку прикладення навантажень. В дисертаційній роботі одержані коефіцієнти анізотропії- відношення характеристик механічних властивостей, одержаних при навантаженнях вздовж шаруватості, до їх значень у поперечому напрямку.

Значення міцності на одноосьове навантаження в горизонтальному напрямку майже вдвічі більше, ніж у вертикальному, а опір зрушенню на 14% нижчий. Результати визначення коефіцієнта анізотропії наведені в табл. 3.



Таблиця 3

Значення коефіцієнта анізотропії вапняку-черепашнику одеського регіону при визначенні показників механічних характеристик

Rc	pstr	fc
kа, Rs 1,98	kа, Pstr 1,26	kа, fc 0,86

Трансформація опору зрушенню вздовж бокової поверхні буронабивних паль. Опір зрушенню вздовж бокової поверхні буронабивної палі виникає за межами поверхні стовбура на відстані зовнішньої „корки", яка виникає при виготовленні палі. Після досягнення граничного навантаження на ділянці, яка здобула переміщення до 0,3 мм, виникає "зрив", тобто руйнування непорушеного стану вапняку-черепашнику вздовж бічної поверхні палі.

При повторному навантаженні опір зрушенню є результатом тертя вздовж зруйнованої поверхні навколо стовбура. За даними лабораторних випробувань сили тертя на 34% нижчі, ніж на граничному стані зрушенню.

Визначення впливу водонасичення на механічні властивості вапняку -черепашнику. Для визначення впливу водонасичення на різні показники механічних властивостей проведені комплексні дослідження. Зразки для випробувань видержувались зануреними у воду протягом 15 діб, після чого проводились випробування. Результати випробувань наведені в табл 4. За значенням коефіцієнта розм'якливості при визначені R_c та p_str вапняки-черепашники одеського регіону відносяться до разм'якливих.

Таблиця 4

Значення коефіцієнтів розм'якливості вапняків-черепашників одеського регіону при визначенні показників механічних характеристик

Rc	pstr	fc
ksof, Rs 0,746	ksof, Pstr 0,63	ksof, fс 0,90

Визначення залежності структурної міцності і опору зрушенню від міцності на одноосьовий стиск при навантаженні поперек нашарування при повітряно-сухому стані вапняку-черепашнику. Результати проведених досліджень свідчать про наявність залежності між показниками механічних характеристик вапняку-черепашнику. Відношення між ними змінюються в залежності від природної міцності породи. Так, при міцності на одноосьовий стиск, рівний 0,5 МПа, структурна міцність майже в 3 рази більша, а при 2,0 МПа - 1,33 рази перевищує міцність на одноосьовий стиск. Аналогічні співвідношення спостерігаються між міцностю на одноосьовий стиск і опором зрушенню. На рис. 8 наведені графіки залежності структурної міцності і опору зрушенню від міцності на одноосьовий стиск, одержані за результатами досліджень.

З графіків видно зміну відношень між характеристиками при підвищенні міцності. Але структурна міцність приблизно в два рази перевишує міцність зрушенню.

У п'ятому розділі наведені рекомендації щодо визначення несучої здатності буронабивних паль на вертикальні вдавлюваючі і висмикуваючі навантаження з використанням встановлених автором регіональних значень опору зрушенню вапняку-черепашнику уздовж бічної поверхні буронабивних паль і розрахункового опору під п'ятою, а також результати впровадження досліджень у практику проектування та будівництва.

В основу розрахунку на вертикальне вдавлююче навантаження покладена формула БНіП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты" для визначення несучої здатності буронабивних паль у піщаних та глинистих грунтах, у яку введені коефіцієнти, що визначають особливості роботи буронабивних паль у вапняку-черепашнику.

F_d = г_c (г_cR RA + u У г_cf f_сi h_i) (3)

Де: г_c - коефіцієнт умов роботи палі, що приймається г_c = 1,0; г_cR - коефіцієнт умов роботи грунту під нижнім кінцем палі г_cR = 1; R - розрахунковий опір грунту під нижнім кінцем палі, МПа, дорівнює p_str і приймається за графіком рис. 8; A - площа обпирання палі, м²; u - периметр поперечного перерізу стовбура палі; г_cf - коефіцієнт умов роботи грунту вздовж бокової поверхні палі. г_cf = 0,66; f_сi - розрахунковий опір i-го шару грунту по боковій поверхні стовбура палі, МПа, приймається за графіком рис. 8; h_i - товщина i-го шару грунту, що стикається з боковою поверхнею палі, м.

В основу розрахунку на висмикувальні навантаження також покладена формула БНіП 2.02.03-85 для визначення несучої здатності буронабивних паль у піщаних та глинистих грунтах, до якої застосовані коефіцієнти, які визначають особливості роботи буронабивних паль у вапняку-черепашнику.

F_du = г_ck_a,f u У г_cf f_сi h_i (4)

Де: г_c - коефіцієнт умов роботи палі, що приймається г_c = 0,8; k_a,f -коефіцієнт анізотропії, що приймається k_a,f = 1 при нормальному розташуванні палі до шаруватості і k_a,f = 0,85 при паралельному. При проміжному куті нахилу k_a,f визначається за інтерполяцією; u - периметр поперечного перерізу стовбура палі; г_cf - коефіцієнт умов роботи грунту вздовж бокової поверхні палі г_cf = 0,66; f_сi - розрахунковий опір i-го шару грунту по боковій поверхні стовбура палі, МПа, приймається за графіком рис. 8; h_i - товщина i-го шару грунту, що стикається з боковою поверхнею палі, м.

Якщо паля частково розташована у пилувато-глинистих чи піщаних грунтах, несуча здатність у їх межах розраховується за вимогами БНіП 2.02.03-85.

Результати роботи впроваджені при проектуванні та посиленні фундаментів низки об'єктів у м. Одесі з отриманням економічного ефекту. На рис. 9 показано виконання похилих паль-анкерів при посиленні верхнього ярусу підпірної стінки на Приморському бульварі в м. Одесі.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Проведені дослідження дають змогу зробити такі висновки:

1. Вперше на основі комплексних досліджень вапняку-черепашнику в лабораторних і польових умовах встановлено показники його механічних характеристик: межі міцності на одноосьовий стиск R_с; структурної міцності р_str, а також опору зрушенню по боковій поверхні буронабивних паль f_с в повітряно-сухому і водонасиченому стані як вздовж, так і поперек шаруватості.

2. Визначено значення і характер розподілу опору зрушенню вздовж бокової поверхні буронабивних паль у лабораторних і польових умовах. Встановлено раніше не вивчене явище трансформації граничного опору зрушенню породи з непорушеною структурою f_с в опір тертю f в міру руйнування структурних зв'язків уздовж стовбура палі при її переміщенні, в тому числі пружному стиску, шляхом повторного завантаження моделей палі після "зриву".

3. Доведено, що анізотропія вапняку-черепашнику впливає на його механічні характеристики. Середні показники межі міцності на одноосний стиск R_c вздовж шаруватості збільшилися на 89%, структурної міцності p_str зросли на 26%, а опору зрушенню f_с уздовж бічної поверхні паль знизилися на 16%.

4. Встановлено, що при водонасиченні вапняку-черепашнику знижуються його механічні характеристики. За результатами лабораторних досліджень середні показники межі міцності на одноосьовий стиск R_c знизилися на 34%, структурної міцності p_str - на 59%, а опору зрушення f_с уздовж бічної поверхні паль - на 23%.

5. Вперше для визначення структурної міцності вапняку-черепашнику застосована нова методика визначення цього показника з використанням розробленого за участю здобувача приладу, на який отримано патент України. Цей прилад дозволяє визначити p_str в умовах відсутності навколо стискаємого об'єму зразка жорстких стінок кільця.

6. Використання методики випробувань циклічно зростаючим навантаженням дозволило встановити поетапне включення буронабивних паль і анкерів в роботу, а також опір зрушенню вздовж бічної поверхні за мірою зростання навантаження.

7. Отримано регіональні значення показників механічних характеристик вапняку-черепашнику, а також коефіцієнти умов роботи буронабивних паль у цій породі, що дало змогу рекомендувати методику визначення несучої здатності буронабивних паль на вертикальні вдавлюваючі і висмикуваючі навантаження, використовуючи формули розрахунку цих паль у глинистих і піщаних грунтах.

8. Результати виконаних досліджень впроваджені при проектуванні та зведенні нових та посиленні існуючих фундаментів шляхом визначення несучої здатності буронабивних паль і анкерів з використанням пропонованих формул. Економічний ефект від впровадження склав 197 тис. гривень.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Новский В.А. Усиление фундаментов здания музея западного и восточного искусства в г. Одессе. Сучасне будівництво: конструкції, технології, перспективи / В.А. Новский, Л.С. Куратник // Матеріали Міжнародної студентської наукової конференції. Полтава, 2004. С. 48-51.

2. Новский А.В. Результаты комплексных исследований грунтов буронабивными сваями, используемых при усилении фундаментов Кирхи в г. Одессе / А.В. Новский, А.П. Ткалич, Ю.Ф. Тугаенко, Л.А. Василевская, В.А. Новский // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Випуск №25. Одеса, 2007. С. 240-246.

3. Новский В.А. Результаты исследования известняка-ракушечника буронабивными сваями в лабораторных условиях / В.А. Новский // Тези доповідей "Мосты и тоннели: Теория, исследования, практика" Днепропетровск 2007. С. 114-115.

4. Тугаенко Ю.Ф. Исследование свай анкеров при реконструкции подпорной стенки на Приморском бульваре в г. Одессе. Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Механіка грунтів та фундаментобудування / Ю.Ф Тугаенко, В.А. Новский // Збірник наукових праць. Полтава 2008. С. 334-339.

5. Новский В.А. Исследование свойств известняка-ракушечника в лабораторных условиях. / В.А. Новский // Збірник наукових праць Серія Галузеве машинобудування, будівництво. Випуск 22. Полтава. 2008. С.74-79.

6. Новский В.А. Исследование прочностных и деформативных свойств известняка-ракушечника а лабораторных условиях / В.А. Новский // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Випуск №29, частина 2. Одеса, 2008. - С. 289-295.

7. Тугаенко Ю.Ф. Определение предельной нагрузки на сваи путем статических испытаний методом релаксации напряжений / Ю.Ф. Тугаенко, Л.А. Василевская, А.В. Новский, В.А. Новский // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. Випуск №33 . Одеса, 2009. С. 334-339.

8. Тугаєнко Ю.Ф. Спосіб визначення показників структурної міцності низькопористих глинистих і напівскельних грунтів / Ю.Ф. Тугаєнко, А.П. Ткалич, В.О. Новський // Патент на винахід №86423 від 27.04.2009.

9. Новский В.А. Влияние анизотропии известняка-ракушечника на его строительные свойства / В.А.Новский // Сборник научных трудов ОГАСА. Морские и речные порты. Портовые сооружения. Выпуск 3. Одесса, МАГВТ, 2010, С 46-50.



АНОТАЦІЯ

Новський В.О. Несуча здатність буронабивних паль у вапняку-черепашнику. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - основи і фундаменти. Одеська державна академія будівництва та архітектури - Одеса 2010.

Дисертаційна робота присвячена проблемам, пов'язаним з вивченням параметрів, що визначають несучу здатність буронабивних паль у вапняку-черепашнику. На підставі експериментальних досліджень у лабораторних і польових умовах, з використанням стандартних і спеціально розроблених методів, встановлені механічні властивості вапняку-черепашнику одеського регіону, а також особливості спільної роботи буронабивних паль у цих породах при дії вертикальних вдавлюваючих і висмикуваючих навантажень. Встановлені показники граничного опору на одновісний стиск і структурної міцності вапняку-черепашнику. Досліджений характер реалізації опору зсуву уздовж стовбура буронабивних паль до і після подолання граничного опору. Одержані показники анізотропних властивостей вапняку-черепашнику, а також ступінь розм'якливості при водонасиченні. Запропоновані рекомендації щодо визначення несучої здатності буронабивних паль на вдавлюваючі і висмикуваючі навантаження з використанням регіональних значень механічних характеристик вапняку-черепашнику.

Ключові слова: вапняк-черепашник, структурна міцність, опір зрушення, анізотропія, розм'якливість, буронабивна паля, несуча здатність.



АННОТАЦИЯ

Новский В.А. Несущая способность буронабивных свай в известняке - ракушечнике. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - основания и фундаменты. Одесская государственная академия строительства и архитектуры - Одесса 2010.

Диссертационная работа посвящена проблемам, связанным с изучением параметров, определяющих несущую способность буронабивных свай в известняке-ракушечнике. На основании экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях, с использованием стандартных и специально разработаных методов, изучены механические свойства известняка-ракушечника одесского региона, а также особенности совместной работы буронабивных свай в этих грунтах при действии вертикальных вдавливающих и выдергивающих нагрузок. Установлены показатели предельного сопротивления на одноосное сжатие и структурной прочности известняка-ракушечника. Исследован характер реализации сопротивления сдвигу вдоль ствола буронабивных свай до и после преодоления предельного сопротивления. Получены показатели анизотропных свойств известняка-ракушечника, а также значения степени размягчаемости при водонасыщении. Даны рекомендации по определению несущей способности буронабивных свай на вдавливающие и выдергивающие нагрузки с использованием региональных значений механических характеристик известняка-ракушечника.

Ключевые слова: известняк-ракушечник, структурная прочность, сопротивление сдвигу, анизотропия, размягчаемость, буронабивная свая, несущая способность.



ABSTRACT

Novski V.A. Bearing capacity of bored piles in limestone - coquina. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical naukpo specialty 05.23.02 - Foundations. - Odessa State Academy of Construction and Architecture - Odessa 2010. буронабивний паля вдавлюваючий одновісний

The thesis deals with problems that are associated with the study paramatrov determining the bearing capacity of bored piles in limestone-coquina. Based on experimental studies in laboratory and field conditions using standard and specifically designed methods studied the mechanical properties of the limestone-coquina Odessa regionalso features the work of the Joint bored piles in these soils under the influence of vertical compressive loads and tear. Are established indicators of limiting resistance on uniaxial compressive and structural strength of limestone-coquina of the Odessa region. Researching the implementation of the shear resistance along the barrel bored svay before and after overcoming the limit of resistance. We study the anisotropic properties of limestone, coquina, and the degree of softening in the saturation .. The recommendations on the definition of carrying capacity of bored piles in squeezable and pulled the load with and.: The Regional Implications of the mechanical characteristics of the limestone-coquina.

Keywords: limestone, coquina, structural strength, shear strength, anisotropy, softening, bored pile, bearing capacity.

Размещено на Allbest.ru

...