Взаємодія пальових фундаментів з ґрунтовою основою при вертикальному навантаженні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО

«ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ» (ДП НДІБК)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.23.02 - Основи і фундаменти

Взаємодія пальових фундаментів з ґрунтовою основою при вертикальному навантаженні

Мелашенко Юрій Борисович

Київ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному підприємстві «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» (ДП НДІБК) Міністерства регіонального розвитку та будівництва України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Матвєєв Ігор Вікторович,

Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», завідувач відділу основ і фундаментів та захисту територій, будівель і споруд від деформацій в складних інженерно-геологічних умовах.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Винников Юрій Леонідович,Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри геотехніки.

кандидат технічних наук, професор Корнієнко Микола Васильович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри основ і фундаментів.

Захист відбудеться 11 грудня 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного підприємства «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. І.Клименка, 5/2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного підприємства «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» за адресою: 03680, м. Київ-37, вул І.Клименка, 5/2.

Автореферат розісланий 04 листопада 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. Слюсаренко Ю.С.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останнім часом звичайною практикою стало зведення висотних, складних, невеликих у плані будівель, які передають значні навантаження на основу. Обмежена кількість нових будівельних майданчиків в межах існуючої інфраструктури змушує використовувати ділянки, розміщені в центральних районах міст, в умовах високого рівня підземних вод, наявності в основі слабких обводнених шарів ґрунту. Широке розповсюдження в Україні і світі територій зі складними інженерно-геологічними умовами разом з переліченими чинниками потребує застосування видів фундаментів, що поєднують високу несучу здатність та мінімальний вплив на будівлі і споруди, що оточують новобудову. Така ситуація сприяє широкому впровадженню паль для влаштування фундаментів.

Незважаючи на тривалий досвід застосування пальових фундаментів та значну кількість досліджень взаємодії паль з ґрунтом, методи розрахунків одиночних паль та пальових фундаментів за першою та другою групами граничних станів мають недостатню достовірність. В окремих випадках похибка у визначенні несучої здатності Fd і осідання паль s сягає 300 %.

Найбільш перспективним напрямом визначення напружено-деформованого стану (НДС) системи «надземні конструкції - фундамент - основа» є застосування чисельного моделювання. Такий підхід дає змогу враховувати реальні властивості матеріалів, просторову роботу конструкцій, особливості взаємодії з основою, технологію і швидкість зведення тощо. Але використання чисельних методів розрахунків, окрім наявності програмного забезпечення і досвіду моделювання, потребує застосування характеристик матеріалів і ґрунтів, що стандартно не визначаються під час вишукувань. Недостатня точність вхідних даних, відсутність окремих параметрів, наближеність застосовуваних методів і громіздкість моделей знижує достовірність отримуваних результатів.

Наявні інженерні методи розрахунку осідання паль і пальових фундаментів базуються на припущеннях, в яких не враховані ті чи інші важливі аспекти НДС системи «паля - ґрунтова основа». Спрощеність розрахункових схем призводить до невідповідності отриманих за розрахунками величин даним натурних спостережень. Тобто актуальною проблемою залишається розроблення методики визначення осідання паль при вертикальному навантаженні, що ґрунтується на основних закономірностях взаємодії паль і пальових фундаментів з основою, забезпечує прийнятну точність результатів і є достатньо простою і наочною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у складі досліджень, що проводилися в НДІБК згідно з постановою Кабінету Міністрів України від 22.08.2000 р. № 1313 «Про затвердження Програми запобігання та реагування на надзвичайні ситуації техногенного і природного характеру на 2000-2005 рр.» та наказів Держбуду України № 67 від 30.05.2003 р. та № 56 від 29.03.2005 р. про розробку ДБН В.2.1-10-2009 «Основи та фундаменти споруд. Основні положення проектування» на заміну СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» (державний реєстраційний № 0107U009145), а також наказу Мінрегіонбуду України № 123 від 25 березня 2009 р. на розроблення проекту ДСТУ-Н «Настанова з проектування фундаментів заглиблених та підземних споруд» (державний реєстраційний № 0109U003329). В цих роботах автор брав безпосередню участь як один із співвиконавців.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методики розрахунку паль і пальових фундаментів, що взаємодіють з основою, при вертикальних навантаженнях.

Для досягнення поставленої мети були розв'язані такі завдання:

* збір і аналіз результатів польових випробувань ґрунтів палями статичними вдавлювальним і висмикувальним навантаженнями та виявлення основних закономірностей взаємодії паль і пальових фундаментів з ґрунтовою основою;

* розроблення методу розрахунку осідання паль і пальових фундаментів з урахуванням деформаційних властивостей ґрунтів вздовж бічної поверхні паль і під їх п'ятою, закономірностей передавання зусиль на контакті з навколишнім середовищем та взаємного впливу паль;

* перевірка достовірності запропонованої методики шляхом порівняння з результатами натурних випробувань одиночних паль і стрічкових пальових фундаментів статичним навантаженням;

Об'єктом дослідження є напружено-деформований стан елементів системи «основа - пальовий фундамент - споруда».

Предметом дослідження є взаємодія паль і пальових фундаментів з основою при вертикальному статичному навантаженні, дослідження факторів, що впливають на осідання при взаємодії паль у фундаменті.

Методи дослідження:

* аналіз наявних методів оцінювання взаємодії паль і пальових фундаментів з ґрунтовою основою при вертикальному навантаженні, алгоритмів розрахунків будівель на пальових фундаментах спільно з основою;

* натурні випробування одиночних паль статичним вертикальним навантаженням;

* аналіз і узагальнення даних натурних і модельних досліджень взаємодії одиночних паль та пальових фундаментів з ґрунтовою основою;

* теоретичні дослідження НДС пружного напівпростору, що виникає під дією сил, прикладених всередині напівпростору;

* порівняння результатів розрахунків осідання паль і пальових фундаментів, визначених за запропонованою методикою, з результатами випробувань одиночних паль і стрічкових пальових фундаментів та розрахунковими значеннями, отриманими за іншими методиками.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

* вперше досліджено фактори, що впливають на характер осідання оголовка палі під дією вертикального статичного навантаження;

* вдосконалено аналітичний розв'язок задачі про переміщення стрижня в пружному ізотропному напівпросторі під дією вертикального навантаження;

* вперше отримано кількісну оцінку впливу стисливості ґрунту в основі палі на її осідання і розподіл зусиль між бічною поверхнею і п'ятою;

* досліджено вплив на осідання одиночної палі форми епюри сил опору вздовж бічної поверхні;

* вдосконалено методику розрахунку осідання одиночної палі під дією вертикального навантаження в середовищі, що має різну стисливість вздовж бічної поверхні і під п'ятою; розглянуто пружну і залишкову складові деформації;

* набула подальшого розвитку методика розрахунку осідання пальового фундаменту з урахуванням взаємного впливу паль.

Практичне значення отриманих результатів:

* представлено методику розрахунку осідання одиночної палі під дією вертикального навантаження, в якій розглядається пружна і залишкова складові деформації;

* розроблено методику визначення осідання пальових фундаментів з урахуванням взаємного впливу паль;

* отримано методику, яка дає змогу розраховувати з прийнятною для практичних задач точністю осідання пальових фундаментів та виконувати оцінку достовірності числових розрахунків;

* запропоновано алгоритм спільного розрахунку будівель на пальових фундаментах з ґрунтовою основою;

* використання результатів досліджень у практиці проектування дає змогу підвищити ефективність конструктивних рішень надземних конструкцій і обґрунтовано призначати схему розташування і довжини паль.

Особистий внесок здобувача:

* розроблено методику визначення коефіцієнтів жорсткості в'язів-опор по бічній поверхні та під п'ятою палі при побудові просторових розрахункових схем систем «будівля - ростверк - паля - основа» [1];

* досліджено напружений стан і деформації пружного напівпростору від дії зосередженої горизонтальної і вертикальної сили, прикладеної всередині напівпростору на скінченній відстані від поверхні [3];

* визначено осідання круглого заглибленого в пружний напівпростір центрально-завантаженого штампа для широкого діапазону відносних заглиблень [4];

* удосконалено розв'язок задачі про переміщення стрижня в пружному ізотропному напівпросторі під дією вертикального навантаження [5];

* розроблено методику розрахунку осідання одиничної палі під дією вертикального статичного навантаження; розглянуто пружну і залишкову складові деформації [5];

* досліджено вплив форми епюри сил опору на бічній поверхні палі (функції інтенсивності розподіленого навантаження) на осідання палі [6];

* вперше отримано кількісну оцінку впливу стисливості ґрунту в основі палі на її осідання і розподіл зусиль між бічною поверхнею і п'ятою [6];

* розроблено методику визначення вертикальних переміщень ґрунту навколо палі [7];

* вдосконалено методику визначення осідання пальових фундаментів з урахуванням взаємного впливу паль.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на:

* Міжнародній науково-практичній конференції «Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів» (Ялта, 1999 р.);

* Четвертій Українській науково-технічній конференції «Механіка ґрунтів та фундаментобудування» (Київ, 2000 р.);

* Науково-технічній конференції творчої молоді (Київ, 2003 р.);

* Науково-технічній конференції «Армування основ при будівництві та реконструкції будівель і споруд» (Вінниця, 2007 р.);

* Шостій Всеукраїнській науково-технічній конференції «Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування» (Полтава, 2008 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 7 наукових працях, з них 6 [1, 3, 4, 5, 6, 7] надруковані у фахових виданнях, що затверджені ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів та висновків. Робота викладена на 231 сторінці друкованого тексту, з них 138 сторінок основної частини, 42 рисунки, 20 таблиць, список використаних джерел зі 163 найменувань на 18 сторінках та 3 додатки на 59 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та направленість роботи. Подано загальну характеристику роботи, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено огляд наявних методик оцінювання взаємодії паль і пальових фундаментів з основою. Розглянуто інженерні і чисельні підходи до розв'язування задачі, гіпотези, на яких вони ґрунтуються. На основі аналізу переваг і недоліків кожного з підходу сформульовано завдання подальших досліджень.

Розробці інженерних методів оцінювання взаємодії фундаментів глибокого закладання з основою присвятили свої праці такі вчені: В.О. Барвашов, А.О. Бартоломей, Б.В. Бахолдін, І.П. Бойко, О.В. Василенко, В.М. Голубков, М.І. Горбунов-Посадов, А.О. Григорян, Є.В. Гурвич, К.С. Заврієв, М.Л. Зоценко, М.В. Корнієнко, І.Я. Лучковський, І.В. Матвєєв, О.Б. Огранович, О.П. Сівцова, Г.П. Таланов, Ю.Г. Трофименков, С.І. Цимбал та інші. Значний внесок у розробку методів оціювання взаємодії пальових фундаментів з основою у нелінійній постановці з використанням чисельних методів зробили І.П. Бойко, Ю.Л. Винников, С.С. Вялов, М.І. Горбунов-Посадов, Б.І. Далматов, Д. Друккер, Ю.К. Зарецький, М.Л. Зоценко, С.М. Клепіков, М.В. Малишев, А.С. Моргун, В. Прагер, В.Г. Федоровський, В.Б. Швець.

Розгляд задач взаємодії паль і пальових фундаментів з основою виконується переважно двома методами:

* розрахунково-теоретичним, що базується на математичному розв'язанні чітко сформульованих задач механіки ґрунтів з обов'язковими дослідними (лабораторними чи польовими) визначеннями значень вхідних параметрів;

* методом моделювання, що застосовується у випадках, коли складність задачі не дає змоги отримати аналітичного рішення чи результат надто громіздкий.

Перший метод заснований на застосуванні відносно нескладних моделей чи схематизації розрахункових схем і виділенні основних закономірностей взаємодії. Розвитку цього підходу сприяло використання пружних моделей ґрунтів. Широке застосування мають методи, що ґрунтуються на моделях Фуса і Вінклера та розв'язках теорії пружності. Перші дають змогу з прийнятною точністю розв'язувати «контактні» задачі, другі дають змогу визначати напружено-деформований стан ґрунтового масиву. Основним недоліком моделей, що базуються на теорії пружності, є те, що вона справедлива лише в ділянці навантажень до утворення пластичних (нелінійних) деформацій.

У разі потреби визначення несучої здатності ґрунтів поза межами пропорційної залежності між напруженнями і деформаціями необхідно використовувати теорію пластичності, де зв'язки між напруженнями і деформаціями є нелінійними. Серед цих моделей найпоширенішими є модель нелінійно-пружного тіла та пружно-ідеально-пластичного середовища, що, в свою чергу, мають значну кількість модифікацій.

У другому розділі наведено дані експериментальних досліджень взаємодії одиночних паль і пальових фундаментів з основою. Викладено методи проведення самих досліджень і обробки результатів випробувань.

Мета експериментальних досліджень -- отримання як інтегральних характеристик взаємодії паль з основою (графіків залежності осідання паль під дією вертикального навантаження s = f (P)), так і даних про окремі аспекти роботи паль (розподілення сил опору вздовж бічної поверхні, розподілення зусиль між бічною поверхнею палі і п'ятою, влив на несучу здатність і осідання куща конструкції паль, технологій їх влаштування). Ці дані є основою для розробки розрахункової схеми одиночних паль і пальових фундаментів з урахуванням взаємного впливу і використовуються для порівняння з результатами, отриманими на основі теоретичних досліджень.

Дані експериментальних досліджень отримано двома шляхами. Перший полягав у отриманні інтегральних характеристик взаємодії одиночних паль з основою при вертикальному статичному вдавлювальному і висмикувальному навантаженнях. Випробування виконувалися за стандартною методикою ДСТУ Б В.2.1-9-2002 на майданчиках м. Києва для забивних, буронабивних, буроін'єкційних та занурених вдавлюванням паль. Всього зібрано результати 49 випробувань, з них 18 отримано за участю здобувача.

Окрім безпосереднього випробування паль, у доступних джерелах зібрано результати досліджень інших авторів, присвячені окремим аспектам взаємодії паль і пальових фундаментів з основою. За повнотою наведених даних використано матеріали комплексних досліджень В.М. Голубкова, А.О. Бартоломея і А.О. Григорян.

Важливим аспектом оцінки взаємодії паль з основою є їх розрахунок за першою групою граничних станів -- визначення несучої здатності по ґрунту. Під час обробки даних випробувань виконано оцінку достовірності визначення цієї величини розрахунковими методами.

За результатами проведених натурних випробувань і аналізу матеріалів комплексних досліджень виявлено основні закономірності взаємодії паль і пальових фундаментів з основою, проаналізовано чинники, що впливають на закономірність їх деформування під навантаженням, характер деформування масиву ґрунту під дією навантаженої палі на всіх стадіях її роботи. Наведено описи інженерно-геологічних умов на ділянках, конструкція і способи влаштування паль, графіки залежності s = f (P), проаналізовано чинники, що впливають на характер графіків осідання одиночних паль.

Третій розділ присвячено розробленню розрахункового апарату з визначення осідання одиночних паль і пальових фундаментів з урахуванням їх взаємного впливу у фундаменті, технології влаштування та форми епюри опору ґрунту вздовж бічної поверхні паль.

Аналіз результатів натурних випробувань паль дає змогу характеризувати графік залежності осідання палі від навантаження s = f (P) як гіперболічний. Тобто розрахунок осідання палі можна звести до знаходження параметрів кривої, що апроксимує реальний графік, рис. 1: кута нахилу променя -- б, що виходить з початку координат, міри випуклості гіперболи та абсциси вертикальної асимптоти -- pu (граничний опір палі).

пальовий фундамент осідання навантаження



Рис. 1 Компоненти деформацій при осіданні палі

Кут б між дотичною до кривої осідання на початкових стадіях навантаження та віссю 0p визначається за формулою:

.

Вигляд апроксимуючої кривої та міра її випуклості встановлюються за результатами узагальнення матеріалів статичних випробувань. У разі відсутності таких даних вона може бути прийнята у вигляді:

, де .

Осідання одиночної палі s під дією вертикального статичного навантаження визначається за формулою:

s = sel + spl,

де sel -- пружна частина осідання, що складається з пружних деформацій стовбура палі sel,p та ґрунту навколо неї sel,g:

sel = sel,p + sel,g;

spl -- непружні (залишкові) деформації ґрунту, що складаються з деформацій за рахунок ущільнення ґрунту під нижнім кінцем палі та локальних зсувів як під п'ятою, так і на бічній поверхні.

Пружне осідання ґрунту навколо палі визначено із розв'язку задачі про переміщення стрижня у пружному напівпросторі під дією вертикального навантаження. Для цього використано розв'язок Р. Міндліна та Д. Ченя для компонентів напружень і деформацій, що виникають у пружному напівпросторі під дією нормальної до її границі зосередженої сили. Задача зводиться до розв'язання системи інтегральних рівнянь:

(1)

Перші два рівняння є умовою рівності нулю горизонтальних переміщень в двох ортогональних напрямках на бічній поверхні палі від спільної дії розподіленого по бічній поверхні навантаження f (h) та сили b під п'ятою палі. Горизонтальне переміщення точки напівпростору від дії вертикальної сили, прикладеної всередині напівпростору:

,

де u f -- горизонтальне переміщення точки напівпростору від сил f (h) на бічній поверхні;

u p -- горизонтальне переміщення точки напівпростору від сили b під п'ятою палі.

Аналогічно для другого рівняння:

.

Третє рівняння є умовою рівності вертикальних переміщень точок бічної поверхні і п'яти під дією сили, прикладеної до оголовка палі. Вертикальне переміщення точок на бічній поверхні від спільної дії розподіленого навантаження f (h) та сили b під п'ятою палі має вигляд:

,

де w f, f , w f, p -- вертикальне переміщення точки напівпростору від сил f (h) на бічній поверхні та від сили b під п'ятою палі відповідно.

Вертикальне переміщення п'яти палі від спільної дії розподіленого навантаження f (h) та сили b під п'ятою палі визначаємо з рівняння:

,

де w p, f , w p, p -- інтегральне осідання п'яти палі від сил f (h) на бічній поверхні та від сили b під п'ятою палі відповідно.

Останнє рівняння системи (1) є умовою рівноваги.

Для отримання розв'язку системи (1) необхідно прийняти вигляд функції сил опору на бічній поверхні палі. З урахуванням даних натурних досліджень розглянуто такі епюри:

1. Рівномірно розподілене по довжині палі -- f (h) A0, рис. 2а;

2. Зростає від нуля пропорційно довжині -- f (h) A1h, рис. 2б;

3. Зростає з глибиною, починаючи з ненульового значення -- f (h) A0 + A1h, рис. 2в.

Рис. 2 Види епюр передачі навантажень бічною поверхнею паль

Після підстановки у рівняння системи (1) функції сил опору, формул Р. Міндліна для горизонтальної і вертикальної компонентів переміщень та нормального напруження уz (в умові рівноваги) виконуємо інтегрування відповідних функцій. Для виконання умови w c, u 0, v 0 коефіцієнти системи (1) визначаємо за допомогою методу найменших квадратів:

.

Виконання додаткової умови wp (r) c досягається побудовою функції Лагранжа:

.

Таким чином, після перетворень система (1) набуде вигляду:

(2)

Значення невідомих системи (2) наведено на рис. 3.

Пружне осідання ґрунту навколо палі визначається з рівняння:

,

Рис. 3 Значення невідомих системи (2) для функції виду f (h) A0 + A1h де l -- частина стовбура палі, що контактує з ґрунтом; P -- вертикальне навантаження на палю; ci -- коефіцієнт осідання, що залежить від приведеного радіуса палі r = d0/2l; v, E -- коефіцієнт поперечної деформації і приведений модуль деформації ґрунту

останній визначається за формулою

E (1 - b) Ef + bEp,

де Ef -- середній модуль деформації ґрунту, що контактує з бічною поверхнею палі;

Ep -- модуль деформації ґрунту під нижнім кінцем палі, що визначається на ділянці, розташованій у межах одного діаметра вище і чотирьох нижче за позначку п'яти палі.

Пружні деформації стовбура палі визначаємо як стискання від навантаження, рівного опору палі на бічній поверхні pf та сили під п'ятою b:

.

Розв'язок системи (1) при інших видах функції опору ґрунту на бічній поверхні дає змогу виконати оцінку її впливу на осідання палі. Виявлено, що в діапазоні r від 0.01 до 0.1 максимальна різниця між коефіцієнтом с для різних форм f (h) не перевищує 2.1 %, рис. 4.

Рис. 4 Вплив форми епюри опору ґрунту на бічній поверхні палі на коефіцієнт с

Розв'язок системи (1) отримано на основі припущення, що середовище, в якому знаходиться паля, ізотропне й однорідне. Врахуємо відмінності у стисливості ґрунту під п'ятою та вздовж бічної поверхні палі. Визначимо коефіцієнти при невідомих системи, що є переміщеннями точок напівпростору під дією п'яти палі, при значеннях модуля деформації ґрунту вE, де

в = Ep/Ef.

Система (2) набуде вигляду:

(3)

За результатами розв'язку системи (3) отримано залежності безрозмірних коефіцієнтів с та b від приведеного радіуса палі r і відносної стисливості ґрунту під п'ятою палі в (рис. 5).



Рис. 5 Графік залежності коефіцієнта с від приведеного радіуса палі і коефіцієнта в = Ep/Ef

Припущення, на яких ґрунтуються отримані вище розв'язки, найбільш прийнятні для паль, технологія влаштування яких не призводить до помітних змін механічних властивостей ґрунту навколо палі -- бурових, що бетонуються за відсутності води у свердловині. У випадку влаштування паль без виймання ґрунту відбувається ущільнення і зміна властивостей навколишнього ґрунту.

Спираючись на результати, отримані шляхом статистичної обробки даних випробувань інвентарних, натурних і паль-штампів, інтегральні коефіцієнти, що враховують особливості технології влаштування паль, можна записати у такому вигляді. 1. Для висячих забивних паль і паль, що занурюються без виймання ґрунту:

, ,

де kp,dv -- коефіцієнт, що враховує вплив на деформаційні властивості ґрунту під п'ятою палі технології її влаштування; гcR -- коефіцієнт умов роботи ґрунту під нижнім кінцем палі, що занурюється без виймання ґрунту, приймається за табл. 3 СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»;

Rdv -- розрахунковий опір ґрунту під нижнім кінцем забивних паль, що приймається за табл. 1 СНиП 2.02.03-85;

Rdl -- розрахунковий опір ґрунту під нижнім кінцем паль, що влаштовуються без виймання ґрунту, приймається для пилувато-глинистих ґрунтів за табл. 7, для піщаних -- згідно з п.4.7 СНиП 2.02.03-85;

kf,dv -- коефіцієнт, що враховує вплив на деформаційні властивості ґрунту вздовж бічної поверхні палі технології її влаштування;

гcf,dv -- коефіцієнт умов роботи ґрунту на бічній поверхні палі, що занурюється без виймання ґрунту, приймається за табл. 3 СНиП 2.02.03-85;

гcf,dl* -- коефіцієнт умов роботи ґрунту на бічній поверхні бурової палі, що бетонується сухим способом, приймається за табл. 5, п.3а СНиП 2.02.03-85.

2. Для висячих набивних, бурових і буроін'єкційних паль:

kp,dl 1, ,

де kp,dl -- коефіцієнт, що враховує вплив на деформаційні властивості ґрунту під п'ятою палі способу її влаштування;

kf,dl -- коефіцієнт, що враховує вплив на деформаційні властивості ґрунту вздовж бічної поверхні палі способу її влаштування;

гcf,dl -- коефіцієнт умов роботи ґрунту на бічній поверхні палі, що занурюється без виймання ґрунту, приймається залежно від способу влаштування за табл. 5 СНиП 2.02.03-85.

Вертикальне переміщення довільної точки напівпростору під дією вертикально навантаженої палі рівне сумі переміщень, зумовлених силами, розподіленими вздовж бічної поверхні та п'ятою. Тобто:

wi (z, r) wi,f (z, r) + wi,p(z, r), (4)

де wi,f (z, r), wi,p (z, r) -- вертикальні переміщення точки напівпростору під дією сил на бічній поверхні та під п'ятою палі відповідно.

Після інтегрування рівнянь отримаємо:

wi (z, r) a0w0(z, r) + a1w1(z, r) + bw2(z, r),

де w0 (z, r), w1(z, r) -- вертикальні переміщення точки напівпростору від сил на бічній поверхні палі (для функції f (h) A0 + A1h);

w2 (z, r) -- вертикальне переміщення точки напівпростору під дією штампа, навантаженого одиничною силою.

На рис. 6 показані поля вертикальних переміщень ґрунту навколо довгої (рис. 6а, r = 0.01) і короткої паль (рис. 6б, r = 0.1). Ґрунт уздовж бічної поверхні та під п'ятою однорідний, в = 1.

Рис. 6 Вертикальні переміщення ґрунту навколо палі на відстані:1 - 1d0; 2 - 3d0; 3 - 6d0; 4 - 10d0; 5 - 21d0; 6 - 55d0

Встановлена закономірність деформування ґрунту навколо вертикально навантаженої палі дає підстави припустити, що осідання довільної j-ої палі у фундаменті від навантаження на і-ту палю дорівнюватиме вертикальному переміщенню ґрунту на місці осі j-ї палі під навантаженням на і-ту палю. Таким чином, врахувати взаємний вплив паль у фундаменті можна шляхом розв'язання задачі про деформування ґрунту навколо одиночної палі.

Загальне осідання i-ої палі у фундаменті Wi складатиметься з осідання під дією навантаження wi безпосередньо на неї та вертикального переміщення ґрунту під дією паль, що її оточують:

Wi = wi + , (5)

де wij -- елемент матриці взаємного впливу паль має вигляд:

winf = ,

причому wij -- осідання j-ої ненавантаженої палі під дією одиничного навантаження на i-ту палю; i, j = 1, 2, …, n;

pj -- навантаження на j-ту палю, j = 1, 2, …, n.

Перший доданок рівняння (5) є нелінійно-непружною частиною деформацій палі, другий -- лінійною складовою.

У четвертому розділі виконано перевірку достовірності запропонованої методики розрахунку осідання одиночних паль і пальових фундаментів з результатами натурних випробувань. Величини осідань, отримані згідно з положеннями розділу 3, порівнювалися з даними натурних випробувань одиночних паль та одно- і дворядних стрічкових пальових фундаментів, отриманих А.О. Бартоломеєм. Додатково виконано порівняння осідань паль за даними випробувань з осіданнями, визначеними за рекомендованими чинними нормативними документами інженерними методиками. Розрахунки виконані методами «умовного фундаменту», за додатками 3 (методика А.О. Бартоломея) і 4 СНиП 2.02.03-85 та за пп. 8.20 і 8.24 МГСН 2.07-01 «Основания, фундаменты и подземные сооружения».

Порівняння експериментальних і отриманих за розробленою методикою розрахунку осідань паль і пальових фундаментів показало, що запропонований метод має достатню для практичних завдань збіжність і дає підстави приймати обґрунтовані та надійні проектні рішення (табл. 1, рис. 7).

Таблиця 1 Результати визначення осідання одиночних паль і пальових фундаментів за різними методиками

№	Паля чи кущ №	Геом. параметри куща	Осідання, мм
		l, м	n	a, м	Переріз палі, м	Випр.	Умовний фундамент	Дод. 3	Дод. 4	МГСН	автор
1	В1	5	10	0.75	0.25Ч0.25	26.2	26.4	7.9	63.4	16.5	28.9
2	В2	5	8	1.5	0.25Ч0.25	8.3	9.6	3.3	29.4	13.8	18.1
3	E1	6	1	-	0.3Ч0.3	16.0	13.9	-	11.9	15.8	12.6
4	E2	12	1	-	0.3Ч0.3	16.0	3.8	-	9.9	12.7	17.6
5	E3	6	4	0.9	0.3Ч0.3	40.2	27.8	9.6	53.0	30.7	29.1
6	E4	12	4	0.9	0.3Ч0.3	41.2	16.5	10.5	62.0	32.9	31.7
7	E5	6	10	0.9	0.3Ч0.3	67.4	54.4	14.5	117.9	30.7	57.9
8	E6	12	8	0.9	0.3Ч0.3	55.3	31.5	22.1	125.9	32.9	50.1
9	Ж1	6	1	-	0.3Ч0.3	16.0	3.8	-	6.2	8.1	9.3
10	Ж2	9	1	-	0.3Ч0.3	16.0	2.9	-	7.3	9.0	14.0
11	Ж3	6	5	0.9	0.3Ч0.3	19.6	10.9	4.4	31.8	15.9	19.7
12	Ж4	9	4	0.9	0.3Ч0.3	24.0	9.6	3.8	39.3	22.5	23.9
13	Ж5	6	10	0.9	0.3Ч0.3	23.9	21.6	6.5	61.8	15.9	32.3
14	Ж6	9	8	0.9	0.3Ч0.3	31.1	19.7	11.5	78.4	22.5	36.8



Рис. 7 Порівняння осідань паль за результатами розрахунків і натурного випробування а) одиночної забивної палі в пісках; б) однорядного пальового фундаменту

Порівнянням розрахункових осідань, отриманих за рекомендаціями СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», МГСН 2.07-01 «Основания, фундаменты и подземные сооружения», СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» і методикою автора, з осіданнями 53 одиночних паль і 10 стрічкових одно- і дворядних пальових фундаментів під дією вертикального статичного навантаження, встановлено наступне:

1. Осідання одиночних паль під дією навантаження, рівного несучій здатності ґрунту її основи Fd, визначені за рекомендаціями чинних нормативів, у середньому на 22-30 % менші порівняно з результатами натурних випробувань.

2. Характер кривих розрахункових осідань, отриманих за рекомендаціями чинних нормативів, лінійний, що не відповідає дійсному графіку осідань. Така невідповідність може призвести до значних похибок у визначенні деформованого стану споруд з урахуванням їх просторової жорсткості (з урахуванням перерозподілу навантажень на палі).

3. Середні осідання стрічкових пальових фундаментів під дією навантаження N = n·Fd (n -- кількість паль у фундаменті), визначені за рекомендаціями чинних нормативів, занижені, порівняно з результатами випробувань, у середньому на 20-72 %.

4. Середнє осідання одно- і дворядних пальових фундаментів, отримане за методикою автора при навантаженні на кущ N = n·Fd, на 11% більші за натурні.

Основні результати роботи і Висновки

За даними аналізу проведених експериментально-теоретичних досліджень НДС основи паль і пальових фундаментів отримано такі результати.

1. Вдосконалено розв'язок задачі про переміщення стрижня в пружному напівпросторі під дією вертикального навантаження з використанням формул Р. Міндліна і Д. Ченя для компонентів напружень і деформацій, що виникають у пружному напівпросторі під дією зосередженої сили.

2. Розроблено методику розрахунку осідань одиночної палі під дією вертикального навантаження, в якій враховується пружна і залишкова складові деформації. Розв'язок, що покладено в основу методики, дає підстави враховувати різну стисливість ґрунту вздовж бічної поверхні та під п'ятою палі. Досліджено вплив на осідання і розподіл зусиль між бічною поверхнею та п'ятою палі стисливості ґрунту в її основі.

Сфера застосування методики -- від висячих паль в однорідному середовищі до паль-стійок, тобто конструкцій, що спираються на скельні ґрунти.

3. Удосконалено методику визначення вертикальних переміщень ґрунту навколо навантаженої палі. Досліджено вплив геометричних розмірів палі і механічних характеристик ґрунту на характер вертикальних деформацій масиву, що її оточує. На підставі узагальнення отриманих даних запропоновано методику розрахунку осідання пальового фундаменту з урахуванням взаємного впливу паль.

На підставі порівняння розрахункових осідань, отриманих згідно з вимогами чинних нормативних документів, які регламентують проектування пальових фундаментів, і за методикою автора, з фактичними осіданнями, отриманими за даними натурних випробувань 53 одиночних паль і 10 стрічкових одно- і дворядних пальових фундаментів під дією вертикального статичного навантаження, встановлено наступне.

4. Осідання одиночних паль під дією навантаження, рівного несучій здатності ґрунту її основи Fd, визначені за рекомендаціями чинних нормативів, у середньому на 22-30 % менші порівняно з результатами натурних випробувань.

5. Середні осідання стрічкових пальових фундаментів під дією навантаження N = n·Fd, визначені за рекомендаціями чинних нормативів, занижені порівняно з результатами випробувань. Так, осідання за методом «умовного фундаменту» в середньому становлять 71 % від натурних; отримані за вимогою п. 8.24 МГСН 2.07-01 -- 80 %. Виявлено низьку точність осідань, визначених за додатками 3 і 4 СНиП 2.02.03-85. Осідання за додатком 3 виявилися в середньому втричі меншими, а за додатком 4 -- удвічі більшими за величини, отримані під час випробувань.

6. Характер осідання одиночних паль, отриманий розрахунками за методикою автора, аналогічний характеру за даними натурних випробувань. Осідання паль у середньому на 23 % більші за натурні при навантаженнях на оголовок, рівних Fd.

7. Осідання одно- і дворядних пальових фундаментів, отримані за методикою автора при навантаженні на кущ N = n·Fd, у середньому на 11 % більші за натурні.

8. Аналіз випробувань одиночних паль статичним вертикальним вдавлювальним навантаженням у різноманітних інженерно-геологічних умовах свідчить про низьку достовірність визначення несучої здатності забивних, вдавлюваних, буронабивних і буроін'єкційних паль. Причина цієї невідповідності полягає не лише у недостатній точності розрахункових методів, а й у порушенні технології влаштування паль, недостатньому обсязі інженерно-геологічних вишукувань.

9. Використання результатів статичних випробувань одиночних паль вертикальним навантаженням не лише для визначення несучої здатності паль, а й для уточнення характеру розвитку нелінійних деформацій дає змогу збільшити точність розрахунків деформацій пальових фундаментів і, зрештою, підвищити надійність проектних рішень.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Принципы расчета свайных фундаментов в составе пространственных моделей при проектировании защиты зданий и сооружений от опасных геологических процессов / [И.В. Матвеев, А.Б. Соловьева, В.И. Кравченко и др.] // Будівельні конструкції : міжвід. наук.-техн. зб. - К. : НДІБК, 1999. - Вип. 51. - С. 305-311.

2. Матвеев И.В. Принципы проектирования пространственных свайных фундаментов для защиты зданий и сооружений от опасных геологических процессов / И.В. Матвеев, А.Б. Соловьева, Ю.Б. Мелашенко // Мат. Міжнар. наук.-практич. конф. : «Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів». - К. : Тов. «Знання» України, 1999. - С. 54-55.

3. Мелашенко Ю.Б. Розподіл напружень та деформацій від дії сили в середині пружного напівпростору / Ю.Б. Мелашенко // Будівельні конструкції : міжвід. наук.-техн. зб. - К. : НДІБК, 2000. - Вип. 53. - С. 178-189.

4. Мелашенко Ю.Б. Осадка і контактний тиск круглого заглибленого в пружний півпростір штампу / Ю.Б. Мелашенко // Будівельні конструкції : міжвід. наук.-техн. зб. - К. : НДІБК, 2007. - Вип. 66. - С. 256-262.

5. Мелашенко Ю.Б. Розрахунок осадки одиночної палі під дією вертикального статичного навантаження / Ю.Б. Мелашенко, М.В. Коробова // Будівельні конструкції : міжвід. наук.-техн. зб. - К. : НДІБК, 2007. - Вип. 66. - С. 297-317.

6. Мелашенко Ю.Б. Вплив на осадку одиночної палі стисливості ґрунту під її вістрям / Ю.Б. Мелашенко, М.В. Коробова // Світ геотехніки. - 2007. - № 2. - С. 20-23.

7. Мелашенко Ю.Б. Методика визначення вертикальних переміщень ґрунту навколо палі / Ю.Б. Мелашенко // Збірник наукових праць : галузеве машинобудування, будівництво. - Полтава : ПолтНТУ, 2008. - Вип. 22. - С. 62-68.

У публікації [1] здобувачем розроблено методику визначення коефіцієнтів жорсткості в'язів і опор на бічній поверхні та під п'ятою палі при побудові просторових розрахункових схем систем «будівля - ростверк - паля - основа». В роботі [2] здобувачем розроблено методику визначення коефіцієнтів жорсткості в'язів-опор на бічній поверхні і під п'ятою палі з урахуванням розвитку небезпечних геологічних процесів та взаємного впливу паль. У статті [5] здобувачем розроблено методику визначення осідань одиночної палі під дією вертикального навантаження з урахуванням розвитку пружних і залишкових складових деформації. Публікація [6] містить запропонований здобувачем спосіб врахування відмінності деформаційних характеристик ґрунтів вздовж бічної поверхні та під п'ятою палі у задачі про осідання стрижня у пружному напівпросторі. Виконано аналіз результатів розрахунків, побудовано залежності невідомих системи від змінних параметрів.

Анотація

Мелашенко Ю.Б. Взаємодія пальових фундаментів з ґрунтовою основою при вертикальному навантаженні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - Основи і фундаменти. - Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій». - Київ, 2009.

Дисертація присвячена такому аспекту взаємодії пальових фундаментів з основою, як визначення осідання паль і пальових фундаментів при вертикальному навантаженні. Ця задача розв'язана шляхом апроксимації графіка залежності осідання голови палі при вертикальному навантаженні s = f (P) і пошуку параметрів кривої. Пружна частина осідання палі отримана на основі розв'язку задачі про переміщення стрижня в пружному напівпросторі з використанням розв'язку Р. Міндліна. Цей підхід дає змогу не лише знаходити власні осідання навантаженої палі, а й визначати осідання інших конструкцій, що знаходяться на поверхні або в масиві ґрунту.

Здійснено перевірку достовірності запропонованої методики розрахунку осідань одиночних паль і пальових фундаментів на підставі порівняння з результатами натурних випробувань одиночних паль, одно- і дворядних стрічкових пальових фундаментів, наведених А.О. Бартоломеєм. Вона показала, що запропонований метод має достатню для практичних завдань збіжність.

Ключові слова: паля, пальовий фундамент, взаємодія з основою, осідання, взаємний вплив, розрахункова модель.

Аннотация

Мелашенко Ю.Б. Взаимодействие свайных фундаментов с грунтовым основанием при вертикальном нагружении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты. - Государственное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций» (ГП НИИСК). - Киев, 2009.

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, определена цель работы и основные направления её реализации, показана научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В разделе 1 приведен обзор существующих методик оценки взаимодействия свай и свайных фундаментов с основанием. Рассмотрены инженерные и численные подходы к решению задачи, гипотезы, на которых они основаны. Вследствие анализа преимуществ и недостатков каждого из подходов сформулированы задачи дальнейших исследований.

В разделе 2 приведены данные экспериментальных исследований взаимодействия одиночных свай и свайных фундаментов с основанием. Изложены методы проведения исследований и обработки полученных результатов.

Данные экспериментальных исследований получены двумя путями. Первый состоял в проведении натурных испытаний свай вертикальной нагрузкой. Второй -- в сборе и анализе результатов исследований других авторов, посвященных отдельным аспектам работы одиночных свай и свайных фундаментов (материалы исследований В.Н. Голубкова, А.А. Бартоломея и А.А. Григорян).

Раздел 3 посвящён разработке расчетного аппарата по определению осадки одиночных и групп свай с учетом взаимного влияния в фундаменте, технологии устройства и формы эпюры сопротивления грунта вдоль боковой поверхности свай.

Методика расчёта осадок свай основана на аппроксимации графика вертикальных перемещений головы сваи от нагрузки s = f (P) и поиске параметров кривой. Для гиперболической функции вертикальной асимптотой является граничное сопротивление сваи по грунту pu, а угол наклона луча б определяется как упругая осадка сваи на основании решения задачи о перемещении стержня в упругом полупространстве с использованием решения Р. Миндлина.

Данный подход позволяет находить не только собственные осадки нагруженной сваи, но и любой точки пространства. Полученная закономерность деформирования грунта вокруг вертикально нагруженной сваи позволяет определять осадки других конструкций, находящихся на поверхности или в массиве грунта.

В разделе 4 приведены результаты проверки достоверности осадок одиночных свай и свайных фундаментов по предложенной методике расчета на основании сравнения с результатами натурных испытаний. Величины осадок, полученные согласно положениям раздела 3, сравнивались с данными натурных испытаний одиночных свай, одно- и двурядных ленточных свайных фундаментов, полученных А.А. Бартоломеем. Дополнительно выполнены сравнения осадок свай по данным испытаний с осадками, определенными по рекомендациям действующих нормативных документов.

Сравнение экспериментальных и полученных по разработанной методике расчета осадок свай и свайных фундаментов показало, что предложенный метод имеет достаточную для практических задач сходимость и позволяет принимать обоснованные и надежные проектные решения.

Ключевые слова: свая, свайный фундамент, взаимодействие с основанием, осадка, взаимовлияние, расчетная модель.

Annotation

Melashenko Yu. B. Interaction of pile foundations with the ground base at a vertical loading. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical science scientific degree on a specialty 05.23.02 - Bases and foundations. - State enterprise «State research institute of building constructions» (SE NIISK), Kyiv, 2009.

The thesis is devoted to such aspect of pile foundations interaction with basis, as determination of piles settlements and pile foundations under the vertical static loading. This task is solved by approximation of dependence cap pile settlement under the vertical loading s = f (P) chart and by curve parameters search. Pile cap elastic settlement is got on the basis of problem solution about bar displacement in elastic half-space using R. Mindlin solution. This method of attack allows not only to find the loaded pile own settlement but also to determine another constructions settlement which are on the surface of soil or inside.

Reliability verification of the proposed calculation procedure of single piles and pile foundations settlement in comparison with the single piles, one and two-row pile foundations field tests results, given by A.A. Bartolomey, is realized. This verification is shown, that procedure which proposed has a sufficient convergence for practical tasks.

Keywords: pile, pile foundation, interaction with foundation, settlement, influence, calculation model.

Размещено на Allbest.ru

...