Расчет многорядных свайных противооползневых сооружений

На правах рукописи

Суворов Максим Александрович

Расчет многорядных свайных

противооползневых сооружений

Специальность: 05.23.02 - Основания и фундаменты,

подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»

Научный руководитель:		доктор технических наук, профессор Готман Альфред Леонидович
Официальные оппоненты:		доктор технических наук, профессор Богомолов Александр Николаевич
		кандидат технических наук, доцент Урманшина Наталья Эдуардовна
Ведущая организация		Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Защита состоится 25 июня 2010 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062 г.Уфа, ул.Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте университета http://www.rusoil.net .

Автореферат разослан 24 мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

__________________

Недосеко И.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время строительство все чаще осуществляется на территориях, расположенных на склонах или вблизи них. Особенно актуальным является вопрос обеспечения устойчивости откосов и склонов в условиях стесненной городской застройки, когда выполаживание склонов или выполнение контрбанкетов не всегда возможно из-за застроенности территории.

Наиболее эффективными являются многорядные противооползневые свайные сооружения, которые имеют целый ряд преимуществ перед другими мероприятиями инженерной защиты оползнеопасных территорий, особенно в условиях стесненной городской застройки.

Простейшим противооползневым сооружением является однорядная лента из свай. Однако в большинстве случаев по причине высокого оползневого давления возникает необходимость возведения многорядных свайных сооружений. Практически во всех случаях в противооползневых конструкциях глубина погружения свай составляет более 10 диаметров, сваи являются гибкими и работают на чистый изгиб. Часто применяются конструкции из свай, защемленных в подстилающие несмещаемые грунты высокой прочности.

Особенностью работы противооползневых свайных сооружений, в отличие от схемы работы традиционного кустового фундамента, является то, что при сдвиге оползающий массив грунта оказывает горизонтальное давление не только на ростверк, но и, в основном, непосредственно на стволы свай. В целом, механизм взаимодействия грунта оползней с элементами многорядных свайных сооружений изучен недостаточно.

Анализ существующих методов расчета противооползневых свайных сооружений показал, что большинство этих методов основано на упрощенных расчетных схемах, не учитывающих ряд значимых факторов, что приводит к значительному завышению расчетных усилий в сваях.

Учитывая все это, актуальным является проведение экспериментально-теоретических исследований противооползневых свайных сооружений и разработка метода расчета горизонтально нагруженных многорядных свайных противооползневых сооружений.

Целью исследований является разработка метода расчета многорядных свайных противооползне­вых сооружений, позволяющего определять усилия в сваях и перемещения свай и ростверка.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• анализ существующих методов расчета свайных противооползневых сооружений на оползнеопасных склонах;
• исследование особенностей напряженно-деформированного состояния (НДС) многорядных свайных противооползневых сооружений при действии оползневого давления;
• изучение закономерностей распределения оползневого давления между рядами свай в за­висимости от конфигурации многорядного сооружения;
• выявление рациональных конструктивных решений многорядных свайных противооползневых сооружений;
• составление расчетной схемы и метода расчета противооползневого многорядного свайного сооружения с учетом особенностей взаимодействия оползневых грунтов со сваями;
• разработка рекомендаций по рациональному проектированию многорядных свайных противооползневых сооружений.

В диссертационной работе использованы следующие методы исследо­ваний:

• исследования противооползневых многорядных свайных сооружений на моделях в лотках с песком с использованием тензосвай (21 испытание);
• натурные испытания буронабивных свай 1200 мм длиной L=20 м в составе противооползневого сооружения на горизонтальную нагрузку (2 испытания).

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена применением в экспериментах тензосвай, удовлетворительной сходимостью экспериментальных и расчетных данных с данными известных аналитических и экспериментальных исследований, а также прак­тикой применения предложенной методики при проектировании реальных противооползневых сооружений, возведенных на оползнеопасных территориях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• получены новые данные о НДС многорядных свайных сооружений (значения перемещений сваи в уровне поверхности грунта, значения изгибающих моментов по длине свай) при различных оползневых нагрузках в зависимости от шага свай в рядах, шага рядов свай и количества рядов свай;
• по результатам натурных испытаний буронабивных свай 1200 мм для твердых глин (P2u) (глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции с прослоями и включениями дресвы и щебня известняка, песчаника, мергеля, аргиллита) определено значение коэффициента пропорциональности для расчета свай на горизонтальную нагрузку;
• предложена расчетная схема и разработан метод расчета многорядных противооползневых свайных сооружений с учетом особенностей взаимодействия грунтового массива со сваями, а именно:

• оползневое давление действует на ростверк и непосредственно на стволы свай в виде распределенной по глубине горизонтальной нагрузки и принимается равномерно распределенным между всеми рядами свай;
• предусматривается возможность различной глубины расположения поверхности скольжения для каждого ряда свай;
• учитывается возможность многослойности грунтового массива ниже поверхности скольжения, что особенно актуально для свай большого диаметра (1 м и более) и длины (15 м и более).

Практическое значение работы. Предложенная методика рас­чета противооползневых многорядных свайных сооружений позволяет осуществлять расчеты противооползневых сооружений с учетом взаимодействия свай с грунтом оползающего массива и рекомендуется для практического применения.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований и разработанный на их основе метод расчета многорядных свайных противооползневых сооружений были использованы при проектировании инженерной защиты для общественного здания «Конгресс-холл» и 14-этажного жилого дома по ул. Парковой в г. Уфе. Экономический эффект от внедрения предложенной методики расчета свайных рядов при проектировании здания «Конгресс-Холла» составил 446 тысяч рублей, при сооружении подпорной стенки у 14-этажного жилого дома по ул. Парковой – 1008 тыс. рублей.

За решение геотехнических проблем при проектировании здания «Конгресс-Холла» в г. Уфе, связанных с оползневыми процессами на площадке, автор работы решением Президиума РОМГГиФ от 1 апреля 2009 г. был награжден дипломом имени Ухова С.Б (диплом №СБУ-004/6).

Метод расчета многорядных свайных противооползневых сооружений, разработанный по результатам диссертационных исследований включен в разработанный ТСН по проектированию противооползневых сооружений в грунтовых условиях Республики Башкортостан.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлены и доложены на научно-технических конференциях УГНТУ (г.Уфа, 2000, 2002, 2003 г.г.) и ПГТУ (г. Пермь, 2000, 2004-2008); международных научных конференциях в г. Волгограде (2003 г.), г.Уфе (2006 г.), Санкт-Петербурге (2009 г.); конференциях по геотехнике в г. Арлингтоне (США) в 2008 г. и в г Александрии (Египет) в 2009 г.

Личный вклад автора заключается в:

• обосновании выбора расчетных схем.
• проведении экспериментальных модельных и натурных испытаний.
• участии в разработке метода расчета многорядных свайных противооползневых сооружений.

На защиту выносится:

1. Результаты экспериментальных модельных и натурных исследований многорядных свайных противооползневых сооружений.
2. Метод расчета многорядных свайных противооползневых сооружений на оползневое давление грунта.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы 17 статей (в том числе 1 статья в журнале «Вестник гражданских инженеров», входящем в перечень изданий ВАК РФ).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, ос­новных выводов - общий объем 218 страниц машинописного текста и 54 рисунка, а также списка литературы - 206 наименований.

Диссертационные исследования выполнены в период обучения в аспирантуре Пермского государственного технического университета с 2003 по 2007 г. и в научно-исследовательском институте строительного комплекса «БашНИИстрой» под научным руководством д.т.н. профессора Готмана Альфреда Леонидовича, которому считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за по­стоянное внимание и помощь в работе.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. Шеменкову Ю.М., д.т.н. Пономареву А. Б., н.с. Бахтиярову Г.Г. и программисту Закировой Р.А. за оказание помощи в процессе проведения экспериментальных исследований.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель, задачи и методы исследований, научная и практическая ценность работы, отмечена научная новизна работы, даны ее общие характеристики.

В первой главе выполнен обзор существующих методов расчета устойчивости склонов и определения оползневого давления, рассмотрены методы расчета свайных противооползневых сооружений и методы расчета свайных сооружений на горизонтальную нагрузку.

Предпосылкой к расчету противооползневых свайных сооружений всегда является расчет устойчивости склона, и, как следствие этого расчета – определение величины оползневого давления Eоп.

Проблемам устойчивости склонов и стабилизации оползневых подви­жек посвящены труды отечественных и зарубежных ученых: С.К.Абрамова, С.М.Алейникова, А.А.Бартоло­мея, А.Н.Богомолова, А.Я.Будина, Л.К.Гинзбурга, Н.М.Гольдштейна, А.Л.Готмана, Э.М.Доброва, А.М.Дранникова, Е.П.Емельяновой, Ю.К.Зарецкого, Г.С.Золотарева, Н.Н.Маслова, С.И.Мация, Г.Д.Недри, А.П.Павлова, Г.П.Постоева, Ф.П.Саваренского, В.В.Соколовского, Ю.И.Соловьева, Л.Р.Ставницера, З.Г.Тер-Мартиросяна, И.О.Тихвинского, В.Г.Федоровского, Г.Л.Фисенко, В.К.Цветкова, К.Ш.Шадунца, В.М.Шапиро, Г.М.Шахунянца, В.Б.Швец, А.В.Школа, Т.Адаши, К.Виджиани, Т.Ито, М.Кимуры, Т.Мацуи, X.Г.Паулоса, К.Терцаги, Р.Хеннеса и др.

Разрушение противооползневого свайного сооружения и укрепляемого им грунта может произойти в результате разрушения свай при превышении предельного сопротивления их сечения срезу или изгибу, сдвига (просачивания) грунта между элементами или над удерживающей конструкцией, разрушения грунтового основания, в которое заделаны сваи. При проектировании противооползневых свайных сооружений следу ет выполн ять их расчеты по всем вышеуказанным случаям. Однако наименее изученными из этих вопросов является расчет сопротивления многорядных свайных сооружений горизонтальным оползневым нагрузкам.

Особенностью работы свайных противооползневых сооружений является то, что при сдвиге оползающий массив грунта оказывает горизонтальное давление не только на ростверк, но и на сваи. Здесь горизонтальная нагрузка Н действует от оползающего грунта непосредственно на стволы свай, а вертикальная нагрузка N и изгибающий момент М отсутствуют либо крайне незначительны.

Анализ существующих расчетных методов для расчета свайных однорядных и многорядных противооползневых сооружений показал, что в значительной их части приняты идеализированные расчетные схемы либо имеется много необоснованных допущений.

Для противооползневых свайных сооружениях, работающих на «глубокий» сдвиг, применяются, как правило, буронабивные сваи большого диаметра и большой длины с тем, чтобы ствол сваи ниже поверхности скольжения обеспечил сопротивление действию горизонтальной нагрузки от давления оползающего массива грунта. В этом случае ствол сваи включается в работу на большую глубину, следовательно, в расчетной схеме следует учесть возможную неоднородность основания по глубине.

В целом, на основании анализа публикаций по вопросам устойчивости склонов и откосов, расчета многорядных свайных противооползневых сооружений, а также распределения оползневого давления между рядами свай и расчета свайных сооружений на горизонтальную нагрузку поставлены основные задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки расчета многорядных противооползневых сооружений и определены направления экспериментальных исследований.

В первой главе было показано, что проблема расчета многорядных свайных сооружений на горизонтальную оползневую нагрузку в первую очередь представляет собой решение задачи обоснования выбора модели противооползневого сооружения и составление расчетной схемы.

По результатам анализа существующих методов расчета предварительно предлагается расчетная схема многорядного свайного противооползневого сооружения, основные положения которой заключаются в следующем:

• свая в оползневом массиве рассматривается как изогнутый от давления грунта стержень, верхний конец которого жестко защемлен в ростверк, а нижний конец упруго защемлен в уровне поверхности скольжения оползающего массива грунта;
• свая ниже поверхности скольжения в пределах несмещающегося массива коренных грунтов рассматривается как гибкая балка на упругом основании;
• грунт, окружающий сваи, принимается как упругое основание Фусса-Винклера в виде линейно-деформируемой многослойной среды с постоянным в пределах каждого отдельного слоя грунтов коэффициентом постели;
• оползневая нагрузка действует непосредственно на стволы свай и распределена по некоторому закону по длине ствола сваи в пределах всей толщины оползающего массива грунта.
• целесообразно оползневое давление принять равномерно распределенным между рядами свай, если это будет подтверждено экспериментально.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований многорядных свайных противооползневых сооружений на моделях, а также результаты натурных испытаний буронабивных свай на горизонтальную нагрузку.

Для обоснования расчетной схемы необходимо экспериментально решить следующие задачи:

• изучить особенности поведения сваи в составе многорядного свайного противооползневого сооружения в грунте при воздействии оползневого давления;
• уточнить распределение оползневого давления между рядами свай в зависимости от конфигурации противооползневого сооружения (количества рядов, шага свай, шага рядов);
• получить качественную и количественную картину работы свай в многорядных свайных противооползневых сооружениях в зависимости от шага свай в ряду и шага рядов свай с выявлением наиболее эффективных свайных сооружений.

Схема проведения модельных испытаний свайных противооползневых сооружений приведена на рисунке 1.

Испытания моделей производились в лотках с мелкозернистым песком однородной крупности с влажностью 4-6%, =16,6 кН/м3, с=0, =28-32°, Е=18-20 МПа. Песок укладывался в лотки слоями толщиной 10 см с послойной трамбовкой.

Рисунок 1 - Схема модельного испытания противооползневого сооружения

Испытания проводились следующим образом. При помощи домкрата к подвижному лотку прикладывалась горизонтальная нагрузка, возрастающая ступенями. Нагружение производилось равномерно, без ударов. Показания индикаторов для измерения перемещений снимались в следующей последовательности: нулевой отсчет – перед нагружением, первый отсчет – сразу после приложения нагрузки, затем последовательно три отсчета с интервалом 5 минут до условной стабилизации деформаций (затухания перемещений). Показания тензодатчиков снимались на каждой ступени нагрузки во время стабилизации перемещения лотка.

За критерий условной стабилизации деформаций принималась скорость горизонтального перемещения подвижного лотка с песком на каждой ступени приложения горизонтальной нагрузки, не превышающей 0,1 мм за последние 15 минут наблюдений по приборам, расположенным на уровне приложения горизонтальной нагрузки.

При испытаниях определялось усилие, при котором происходит сдвиг лотка с песком без свай. По результатам испытаний средняя сдвигающая нагрузка для лотка без свай составила (245±5) кгс. Данное усилие учитывалось в качестве поправки при обработке результатов испытаний.

Модели свай представляли собой полые дюралюминиевые трубки 28 мм, длиной 2100 мм. Не менее одной сваи в ряду было оснащено тензорезисторами с рабочим диапазоном чувствительности = 20-250 Мпа (установлены на внешнюю поверхность дюралюминиевых труб с двух сторон с шагами расстановки а = 150 мм).

Для решения задачи модельных испытаний были выполнены опыты с одиночной сваей и по 16 схемам с различным количеством рядов свай (1-3 ряда), разным шагом свай в ряду (2-3d) и разным шагом рядов свай (1-4d).

В ходе модельных исследований по показаниям индикаторов перемещения (с ценой деления 0,01 мм) и динамометра сжатия были получены значения перемещений свай и подвижного лотка при различных нагрузках. На рисунке 2 показан характерный график зависимости «оползневое давление – горизонтальное перемещение сваи» для двухрядного свайного сооружения с шагом свай 2d и шагом рядов 3d.

Рисунок 2 – График «оползневое давление – горизонтальное перемещение»