Несущая способность буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки с учетом технологии их изготовления

На правах рукописи

КОНЮШКОВ Владимир Викторович

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ НА ВЕРТИКАЛЬНУЮ И ГОРИЗОНТАЛЬНУЮ НАГРУЗКИ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2007

Работа выполнена на кафедре «Основания и фундаменты» в ГОУ ВПО «ПГУПС» Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Улицкий Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Мангушев Рашид Александрович

Кандидат технический наук, доцент

Татаринов Сергей Викторович

Ведущая организация: СК «Подземстройреконструкция»

Защита состоится «06» ноября 2007г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет». Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4.

Электронная почта: rector@spise.spb.ru

Тел./факс 8 (812) 316-58-72

Автореферат разослан «05» октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета: Бадьин Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На отечественном строительном производстве буроинъекционные сваи появились в середине 80-х годов. В основном они использовались для усиления фундаментов зданий. В настоящее время область их применения значительно расширилась, эти сваи используются для защиты от оползней, усиления насыпей, закрепления бортов котлованов, устройства ограждающих стен в грунте, при строительстве в условиях плотной городской застройки, для исправления кренов фундаментов, для вывешивания конструкций при устройстве подземных помещений, а также применяются в качестве фундаментов в районах с повышенной сейсмической активностью и фундаментов, испытывающих вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Широкая область применения буроинъекционных свай, а также характер работы наклонных свай, предполагает совместное воздействие вертикальной и горизонтальной нагрузок. Рекомендуемый нормативными документами расчет свай на совместное воздействие вертикальной, горизонтальной нагрузки и момента достаточно сложен и трудоемок, к тому же он был разработан, в основном, для свай, применяемых в мостостроении, обладающих относительно большими диаметрами по сравнению с буроинъекционными сваями.

Многочисленные полевые испытания буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки в различных инженерно-геологических условиях показывают, что их несущая способность по грунту значительно выше рассчитанной по СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

Вопрос о влиянии технологии изготовления буроинъекционных свай на их несущую способность еще недостаточно изучен.

В рамках данной работы выполнено исследование несущей способности одиночных буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки в зависимости от технологии их изготовления без учета влияния длительной совместной работы сваи и грунта.

Целью работы является совершенствование инженерного метода расчета несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализирована работа вертикальной сваи на вертикальную и горизонтальную нагрузки, а также наклонной сваи на вертикальную нагрузку.

2. Выполнено сравнение результатов двухсот полевых испытаний буроинъекционных свай на вертикальную нагрузку с несущей способностью, рассчитанной по требованиям норм. Полученные результаты исследованы с помощью статистической обработки теоретических и фактических значений с учетом технологии изготовления свай.

3. Проведены аналитические расчеты вертикальной сваи на горизонтальную нагрузку различными способами. Проанализированы достоинства и недостатки различных методов расчетов. Выполнено сравнение полученных результатов с численными расчетами и полевыми испытаниями свай.

4. Исследована работа наклонной сваи на вертикальную сжимающую нагрузку.

5. На основе аналитического решения Тимошенко С. П. разработан инженерный метод расчета буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан инженерный метод расчета вертикальных буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку, а также наклонных свай на вертикальную нагрузку.

2. Получены поправочные коэффициенты для более точного определения несущей способности буроинъекционных свай по грунту на вертикальную сжимающую нагрузку с учетом технологии изготовления сваи.

3. Произведена оценка влияния ряда технологий изготовления буроинъекционных свай на их несущую способность.

На защиту выносится:

1. Инженерный метод расчета вертикальных буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку и наклонных свай на вертикальную нагрузку.

2. Результаты аналитического исследования влияния угла наклона сваи, жесткостных параметров сваи и деформативных характеристик грунта на напряженно-деформированное состояние системы: «буроинъекционная свая-грунт».

3. Поправочные коэффициенты для определения несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную сжимающую нагрузку с учетом технологии их изготовления.

4. Результаты аналитического исследования различных методов расчета свай на горизонтальную нагрузку и их сравнение с численным моделированием и полевыми испытаниями свай.

5. Результаты анализа полевого испытания наклонной сваи на вертикальную нагрузку.

6. Примеры внедрения инженерного метода расчета наклонных буроинъекционных свай на объектах реконструкции в Санкт-Петербурге.

Практическая ценность работы. Полученные поправочные коэффициенты для определения несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную нагрузку позволят значительно снизить затраты на производство работ по устройству свайных фундаментов на проектной стадии строительства.

Реализация результатов исследований. Результаты, полученные в диссертации, были использованы на практике для оценки напряженно-деформированного состояния системы: «буроинъекционная свая-грунт» на следующих объектах в Санкт-Петербурге:

1. Реконструкция бывшего кинотеатра «Ленинград» на ул. Потемкинская д. 4;

2. Реконструкция здания расположенного на Литейном пр. д. 26.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на научно-технических конференциях и семинарах ПГУПС, СПбГАСУ и ВНИИГ им. Веденеева в 2004-2007 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены и опубликованы в виде статей в научно-технических журналах: «Известия ПГУПС», «Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ» и «Известия ОрелГТУ» (входит в перечень научных изданий рекомендованных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 105 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и задачи исследования, введены граничные условия, в рамках которых был исследован данный вопрос.

В первой главе выполнен анализ современного состояния исследуемой темы. Кратко описаны особенности инженерно-геологические условий Санкт-Петербурга. Приведена последовательность некоторых технологий изготовления буроинъекционных свай, отражены их достоинства и недостатки. Проанализированы существующие методы расчета свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки.

Из отечественных ученых занимавшихся исследованием несущей способности свай, можно отметить: Б. И. Далматова, А. А Лугу, В. А. Ильичева, Е. А. Сорочана, В. М. Мамонова, К. С. Завриева, Э. В. Костерина, Ю. В. Россихина, Н. Н. Морарескула, А. А. Бартоломея, В. Н. Голубкова, Н. М Герсеванова, Н. К. Снитко, Г. С. Шпиро, Х. А. Джантимирова, В. М. Улицкого, В. Н. Парамонова, А. И. Егорова, И. М. Клейнера, Ф. К. Лапшина, С. В. Бровина, Н. И. Орленко, Б. В. Бахолдина, В. Г. Березанцева, С. Н. Сотникова, А. Б. Фадеева, А. А. Мустафаева, Р. А. Мангушева, Ю. А. Багдасарова, В. П. Петрухина, В. Г. Федоровского, Ю. Г. Трофименкова, Г. Ф. Новожилова, Н. С. Несмелова, А. И. Осокина, С. В. Татаринова, К. Г. Шашкина, А. В. Есипова, М. А. Прыгунова, К. Г. Голубева, А. Б. Пономарева и др.

Из зарубежных ученых, занимавшихся исследованием работы свай в грунтах, можно назвать: Терцаги, Глика, Стивенса, Гранхольма, Куммингса, Брандля, Каценбаха, Бергфельта, Френсиса, Харро, Франка, Шлоссера, Форэя, Шарора, Ходли, Гольдера, Ханна, Ринкерта, Риза, Ван Импе и др.

Для оценки инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга был сделан их краткий анализ и выявлены характерные особенности на основе работ ученых Л. Г. Заварзина, В. М. Фурсы и др.

В работе были изучены следующие отечественные технологии изготовления буроинъекционных свай: с помощью проходного шнека, под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором. Кроме того, была исследована зарубежная технология изготовления микросвай Titan.

Согласно СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» буроинъекционные сваи являются разновидностью буровых свай. Однако конструктивные особенности и технологии изготовления буроинъекционных свай существенно отличаются от буровых свай. Отличительными признаками буроинъекционных свай служат:

- малый диаметр 0,12……0,25 м (максимальный диаметр 0,35 м);

- большая гибкость (L/d = 80-200);

- применяемый материал (цементно-песчаная или мелкозернистая бетонная смесь);

- процесс опрессовки цементно-песчаной смеси после заполнения скважины под давлением 0,2……0,6 МПа;

- буроинъекционные сваи могут выполняться с углами наклона 5…..25.

Конструктивные особенности и технология изготовления буроинъекционных свай существенно влияют на их работу в грунте и, соответственно, на их несущую способность. В частности, из-за малого диаметра несущая способность висячей сваи обеспечивается, в основном, за счет трения по боковой поверхности. Большая гибкость этих свай при наличии слабых грунтов может вызвать деформации ее ствола или даже потерю устойчивости. Прочностные и деформативные характеристики цементно-песчаной смеси очень сильно зависят от качества и условий изготовления и значительно отличаются от характеристик бетонной смеси. В процессе опрессовки цементно-песчаной смеси происходит адгезия ствола сваи с грунтовым массивом. При последующей передаче на сваю вертикальной нагрузки силы трения, действующие по ее боковой поверхности, возрастают в несколько раз. С увеличением угла наклона сваи возрастают внутренние усилия, из-за которых несущая способность сваи по материалу может оказаться значительно ниже, чем по грунту.

Несмотря на все эти отличия, согласно требованиям нормативных документов, расчетная несущая способность по грунту висячей буроинъекционной сваи на вертикальную нагрузку определяется, как и для буровой сваи (сумма расчетных сопротивлений, действующих по боковой поверхности, и расчетного сопротивления под острием сваи).

Расчетная несущая способность сваи на горизонтальную нагрузку может быть определена на основе трех моделей грунта: модели упругого основания Фуссо-Винклера, модели упругого полупространства Жемочкина и упругопластической модели Мора-Кулона.

Несущая способность буроинъекционных свай в большей степени, чем других видов свай, зависит от технологии и качества их изготовления, характера работы и условий эксплуатации. В существующих нормативных документах недостаточно указаний и рекомендаций по расчету гибких и длинных свай, изготовленных в слабых грунтах.

Во второй главе выполнен теоретический анализ работы вертикальной сваи на вертикальную и горизонтальную нагрузки. На основе аналитического решения Тимошенко С. П. разработан инженерный метод расчета буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку. Проведено исследование влияния угла наклона сваи, жесткостных параметров сваи и деформативных характеристик грунта на напряженно-деформированное состояние системы: «буроинъекционная свая-грунт».

В процессе бурения скважины в грунте происходит разрушение структурных связей грунта. После подачи бетонной смеси происходит уплотнение грунта, окружающего стенки скважины. Последующая опрессовка приводит к вытеснению грунта бетонной смесью, в результате у ствола сваи образуются местные уширения. Наибольший эффект опрессовки достигается в пределах верхней части сваи. Кроме того, в процессе опрессовки происходит адгезия частиц бетонной смеси с грунтом и образуется своего рода грунтобетонный массив. Эти особенности не учитываются нормативными документами, поэтому несущая способность свай, определенная по результатам полевых испытаний, значительно превышает рассчитанную по таблицам СНиП. При полевых испытаниях идентичных буроинъекционных свай в одинаковых инженерно-геологических условиях, на вертикальную сжимающую нагрузку, кривые зависимости осадки сваи от нагрузки имеют значительные расхождения. Это объясняется не только естественным разбросом прочностных и деформативных характеристик грунтов, но также и значительным отличием геометрических параметров изготавливаемых свай.

Введем понятие приведенного диаметра сваи, который можно определить исходя из объема бетонной смеси, поданной в скважину. Тогда несущую способность по грунту висячей буроинъекционной сваи на вертикальную нагрузку можно определить по формуле:

, (1)

где - коэффициент условий работы сваи, принимаемый по СНиП 2.02.03-85;

- коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи, принимаемый по СНиП 2.02.03-85;

- расчетное сопротивление под острием сваи, принимаемое по таблице 7 СНиП 2.02.03-85, кПа;

- приведенный диаметр сваи, м;

- коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности сваи, принимаемый по таблице 5 СНиП 2.02.03-85;

- толщина -го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

- расчетное сопротивление -го слоя грунта на боковой поверхности сваи, принимаемое по таблице 2 СНиП 2.02.03-85, кПа.

Для определения несущей способности буроинъекционной сваи на горизонтальную нагрузку сначала необходимо установить жесткостные параметры сваи, а затем внутренние усилия и перемещения, образующиеся от приложенной нагрузки. На основе аналитического решения Тимошенко С. П. предлагается инженерный метод расчета буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку.

При свободной от закрепления или закрепленной от угла поворота голове сваи поперечное усилие будет равно горизонтальной нагрузке:

. (2)

Максимальный изгибающий момент от горизонтальной нагрузки в голове сваи, свободной от закрепления, определится по формуле:

, (3)

где , м-1, - приведенная жесткость системы: «буроинъекционная свая-грунт», определяемая по формуле:

, (4)

где - начальный модуль упругости сваи, кПа;

- момент инерции поперечного сечения сваи относительно центральных осей, м4;

- упругий отпор грунта для гибких узких балок, кН/м2, определяемый по формуле Герсеванова Н. М.:

, (5)

где - диаметр сваи, м;

- коэффициент перехода от круглого сечения сваи к квадратному;

- коэффициент Пуассона грунта;

, кПа, - общий модуль деформации грунта по длине сваи, на которой образуется краевой эффект от приложенных усилий (участок сваи с максимальными значениями усилий и деформаций). В первом приближении длина краевого эффекта может быть принята равной длины сваи. Затем методом последовательных приближений этот параметр может быть уточнен по формуле:

. (6)

Максимальный изгибающий момент от горизонтальной нагрузки при закрепленной голове сваи от угла поворота:

. (7)

Горизонтальное перемещение свободной от закрепления головы сваи:

, (8)

где - гиперболо-тригонометрическая функция, зависящая от приведенной жесткости системы «свая-грунт» .

Горизонтальное перемещение головы сваи, закрепленной от угла поворота:

. (9)

Внутренние усилия и перемещения сваи будут зависеть от жесткости сваи и деформативных характеристик грунта. Жесткость сваи определяется ее диаметром, классом бетона и площадью арматуры. На рис. 1 приведены графики зависимости жесткости сваи от класса мелкозернистого бетона и площади арматуры при диаметрах сваи 0,13……0,35 м. Все кривые при различных классах мелкозернистого бетона изменяются незначительно. Однако все кривые выражены гиперболической зависимостью, это объясняется тем, что существенное влияние на жесткость сваи оказывает ее диаметр. Кривые зависимости жесткости от площади арматуры существенно изменяются при различных площадях арматуры. При армировании сваи пространственными каркасами они носят линейный характер, а при армировании стальными трубами гиперболическую зависимость.

Для буроинъекционных свай диаметром 0,13…..0,35 м при классе мелкозернистого бетона В15….В40 с модулем деформации грунтов 3…..15 МПа, приведенная жесткость системы: «буроинъекционная свая-грунт» будет находиться в интервале 0,2…1,0 м-1. На рис. 2 приведены графики зависимости изгибающего момента в голове сваи от горизонтальной нагрузки при различных граничных условиях закрепления головы сваи и значениях приведенной жесткости 0,2…1,0 м-1. Как видно из графиков с увеличением приведенной жесткости изгибающий момент в свае уменьшается. При этом, чем меньше приведенная жесткость, тем больше скачок во внутренних усилиях сваи.