На правах рукописи
Чу Туан Тхань
Оценка взаимодействия
буроинъекционных свай усиления фундаментов
с основаниями зданий
05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
С анкт-Петербург – 2010
Работа выполнена на кафедре геотехники ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
заслуженный работник высшей школы Российской Федерации
Карлов Владислав Дмитриевич
(СПбГАСУ)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Алексеев Сергей Игоревич
(Петербургский государственный университет путей сообщения)
кандидат технических наук, доцент
Осокин Анатолий Иванович
(ЗАО «ГЕОСТРОЙ» Санкт-Петербург)
Ведущая организация: ООО «ГЕОИЗОЛ» Санкт-Петербург
Защита состоится « 14 » декабря 2010 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219).
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Электронная почта: rector@spbgasu.ru
Тел./факс: 8 (812) 316-58-72
Автореферат разослан « » ноября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор Ю. Н. Казаков
общая характеристика работы
Актуальность темы. В процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений нередко происходят деформации надземных конструкций зданий в результате неравномерных осадок грунтов оснований, вызванных различными причинами. Для обеспечения дальнейшей нормальной эксплуатации таких зданий, прочности и надежности их конструкций необходимо выполнить усиления фундаментов и оснований.
В настоящее время при усилении существующих фундаментов большое применение нашли буроинъекционные сваи. После усиления фундамента образуется новая подземная конструкция «ростверк (существующий фундамент) – сваи усиления», взаимодействующая с массивом грунта основания. Вследствие этого происходит перераспределение нагрузки от сооружения, значительную часть которой воспринимают сваи и передают на более плотные слои грунтов. Усиление оснований и фундаментов буроинъекционными сваями позволяет изменять напряженно-деформированное состояние грунтового массива и управлять развитием осадок основания, добиваясь их ограничения величиной, допустимой после реконструкции здания.
Существующие методики расчета фундамента, усиливаемого буроинъекционными сваями, не в полной мере учитывают факторы, влияющие на взаимодействие усиленного фундамента с массивом грунта вновь образованного основания. Анализ результатов расчета по различным методикам показывает, что расхождение может быть в 3 раза и более. До настоящего времени не разработана методика проектирования и расчета усиления фундамента на деформирующемся основании при неизменности нагрузки до и после реконструкции здания. Недостатками существующих методов расчета является то, что они не в полной мере отражают особенности характера взаимодействия системы «фундамент – сваи усиления – грунтовое основание» и не учитывают ряд факторов, определяющих распределении усилий в элементах этой системы.
Цель работы заключается в установлении основных закономерностей взаимодействия фундаментов, усиливаемых буроинъекционными сваями, в разработке на их основе методики проектирования фундаментов реконструируемых зданий на деформирующихся основаниях.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи исследования:
анализ существующих методов расчета свайного фундамента с учетом работы ростверка и оценка факторов, определяющих взаимодействия свайного фундамента с грунтовым массивом;
разработка основ физического моделирования работы свай и свайного фундамента и научно-обоснованной методики лабораторных исследований закономерностей взаимодействия свай и свайных фундаментов с грунтом основания;
выполнение экспериментальных исследований с целью установления закономерностей взаимодействия свайного фундамента с грунтовым основанием;
исследование напряженно-деформированного состояния грунта основания и совместной работы системы «ростверк – сваи – грунт основания» с использованием численного моделирования на основании МКЭ с целью использования комплексного подхода в исследовании при оценке достоверности результатов физического моделирования и данных полевых статических испытаний буроинъекционных свай;
разработка методики расчета фундаментов, усиленных буроинъекционными сваями с учетом полученных закономерностей совместной работы свай, существующего фундамента (ростверка) и массива грунта, взаимодействующего с сооружением; оценка ее достоверности на основе анализа проектных решений некоторых реконструированных зданий в Санкт-Петербурге, фундаменты которых были усилены буроинъекционными сваями.
Научная новизна работы состоит:
в разработке основ приближенного физического моделирования взаимодействия свайного фундамента с массивом грунта основания и получении масштабных коэффициентов для переноса результатов лабораторных испытаний на натурные условия;
в установлении закономерностей взаимодействия фундамента, усиливаемого сваями, с грунтовым массивом в зависимости от линейных размеров, количества свай усиления, характера напластования грунтов, их физико-механических свойств и других факторов;
в разработке новой инженерной методики проектирования фундаментов, усиливаемых буроинъекционными сваями на деформирующемся основании с учетом совместной работы существующего фундамента и сваи усиления с грунтовым массивом основания.
На защиту выносятся:
критерии физического моделирования взаимодействия маломасштабных моделей свай и свайных фундаментов с массивом грунта, полученные на основе использования теорий подобия и размерностей;
методика и результаты лабораторных лотковых исследований закономерностей взаимодействия буроинъекционных свай усиления фундаментов с основаниями зданий на мелкомасштабных моделях;
результаты математического моделирования совместной работы системы «ростверк – сваи усиления – грунтовый массив основания» и сопоставления их с данными физического моделирования и испытаний сваи статическими нагрузками в полевых условиях;
установленные закономерности распределения усилий на основании, передаваемых через ростверк (существующий фундамент) и сваи усиления в составе свайного фундамента;
разработанный инженерный метод расчета усиления фундаментов на деформирующемся основании и анализ сопоставление результатов расчетов с данными проектных решений ранее реконструированных зданий.
Практическое значение работы заключается в следующем:
установлены новые принципиально важные закономерности совместной работы системы существующего фундамента, свай усиления и грунта основания, что позволяет оценить долю нагрузки, передаваемой на сваи; принять научно обоснованное решение по усилению фундаментов реконструируемых зданий;
применение разработанного инженерного метода расчета фундаментов, усиливаемых буроинъекционными сваями на деформирующемся основании, позволяет повысить достоверность расчетов при проектировании и снизить стоимость реконструкции здания.
Достоверность теоретических решений и методов расчетов определяется:
использованием апробированных научных методов при разработке физико-математической модели взаимодействия свайного фундамента с окружающим грунтом основания;
комплексным характером исследований закономерностей взаимодействия свайного фундамента с грунтовым массивом;
подтверждением результатов расчетов выполненных по предложенной инженерной методике с данными натурных испытаний свай и свайных фундаментов и результатами полевых исследований, приведенных в литературных и проектных материалах по ряду объектов.
Апробация работы. По результатам исследований сделаны 5 докладов на научно-технических конференциях и семинарах СПбГАСУ, ВИТУ и ПГТУ в 2007 – 2010 гг.
Публикации. Основные положения диссертации и материалы исследований изложены в 7 печатных работах. Из них одна работа в издании, из перечня ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, рекомендуемых ВАК для опубликования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, 59 рисунка, 21 таблиц.
основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и задачи исследования, научная новизна работы, объект, границы, методика исследования и его практическая значимость, сформированы основные положения диссертации.
В первой главе дан обзор современных методов усиления фундаментов зданий сваями на деформирующихся основаниях, области применения и конструкции буроинъекционных свай усиления. Выполнен анализ исследований, посвященных взаимодействию буроинъекционных свай и свайного фундамента с грунтом основания; рассмотрены существующие методы расчета фундаментов, усиленных буроинъекционными сваями; определены направления, задачи исследований и методы их решения.
Буроинъекционные сваи нашли широкое применение для усиления оснований фундаментов существующих зданий и сооружений. Однако многие вопросы расчета и проектирования усиливаемых фундаментов остаются слабо разработанными. В частности, требует научного обоснования взаимодействия фундамента, усиленного буроинъекционными сваями на деформирующемся основании, осадки которого угрожают нормальной дальнейшей эксплуатации здания.
После усиления существующего фундамента буроинъекционными сваями образуется новая конструктивная система «ростверк (фундамент) – сваи усиления – грунт основания», которая взаимодействует с массивом окружающего грунта. Нагрузка на грунт передается как через усиливаемый фундамент, так и посредством свай усиления. В новом свайном фундаменте роль ростверка выполняет реконструируемый фундамент. Последний в новой фундаментной конструкции с учетом совместной работы со сваями будет воспринимать часть общей нагрузки. При этом необходимое количество свай усиления должно определять с учетом этого обстоятельства.
Исследованиями закономерностей взаимодействия свай и свайных фундаментов с грунтовыми основаниями занимались Б.И. Далматов, А.А. Бартоломей, Б.В. Бахолдин, В.Н. Бронин, А.В. Вронский, Р.Г. Галлеев, В.Н. Голубков, Н.М. Дорошкевич, Ф.К. Лапшин, В.Н. Морозов, А.В. Пилягин, В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, Е.Э. Девальтовский, И.В. Носков и многие другие.
Вопросам изучения работы ростверка в составе свайного фундамента посвящены работы Н.М. Дорошкевича, К.С. Завриева, Г.С. Шпиро, Ю.Н. Платонова, В.Д. Яблочкова, М. И. Никитенко, В. А. Сернов, Н.И. Орленко, и других.
Исследованиями взаимодействия буроинъекционных свай с грунтом основания занимались ученые Х.А. Джантимиров, З.Ф. Аббас, С.В. Бровин, Р.А. Мангушев, А.И. Осокин, В.В. Конюшков, F. Lizzi, H. Brandl и другие.
Совместная работа ростверка и свай с грунтом основания зависит от многих факторов: конструкции ростверка, характеристик механических свойств грунта, особенностей конструкции свай, геометрических и жесткостных характеристик здания, величины и вида приложенной нагрузки. Условием совместной работы фундаментной конструкции является равенство осадок усиливаемого фундамента и свай в его составе.
Численное сравнение существующих методик расчета существующего фундамента, усиливаемого сваями было выполнено на примере проекта усиления ленточного фундамента 3-х этажного здания двухсторонними буроинъекционными сваями, разработанного под руководством профессора В.Д. Карлова. Полученные значения усилий, возникающих в буроинъекционных сваях усиления по разным методикам расчета, различаются в 4 раза и более; осадки фундамента, усиленного буроинъекционными сваями, различаются в 6 раз и более. Столь большое различие в полученных результатах объясняется несовершенством существующих в настоящее время методик. Это свидетельствует о необходимости разработки методики расчета фундамента, усиленного буроинъекционными сваями. В связи со сложностью рассматриваемой задачи необходимы экспериментальные и теоретические исследования влияния различных факторов на взаимодействие усиленного фундамента с грунтовым массивом.
Во второй главе представлено теоретическое исследование условий физического моделирования взаимодействия свай и свайных фундаментов с массивом окружающего грунта. Установлены новые критерии моделирования работы свай и свайных фундаментов в песчаных грунтах. На основе установленных условий моделирования свай и свайных фундаментов с окружающим массивом грунта разработана научно обоснованная методика проведения лабораторных исследований на маломасштабных моделях. Выполнены экспериментальные исследования совместной работы ростверка и свай в составе моделей свайных фундаментов с грунтовым основанием и установлено влияние основных факторов на распределение нагрузки на сваи и ростверк.
Экспериментальные исследования совместной работы ростверка и свай в составе свайных фундаментов выполнить в натурных условиях крайне сложно и дорого. Проведение же экспериментов на моделях в лаборатории требует теоретического обоснования условий моделирования с целью переноса данных лабораторных испытаний на соответствующие характеристики работы конструктивных элементов натурных свайных фундаментов.
Условия физического моделирования получены на основании теории подобия и размерностей. Развитию основ физического моделирования фундаментов на грунтовую среду посвящены работы ученых А.Л. Кирпичева, Г.И. Покровского, Л.С. Эйгенсона, Н.Б. Экимяна, которые сформулировали условия подобия и требования модели. Развитие методов теории подобия и анализа размерностей в значительной мере обязано работам таких крупных ученых, как Л.И. Седов, А.А. Ильюшин и А.Г. Назаров.
Вопросам изучения условия моделирования фундаментов на естественном основании посвящены работы В.А. Флорина и П.Л. Иванова, основанные на использовании решения системы уравнений смешанной задачи в критериальной форме. На основе теории подобия и размерностей В.Д. Карловым получены критерии подобия силового взаимодействия гибкого фундамента с деформирующим грунтом основания при промерзании. Приближенное моделирование использовалось для оценки несущей способности и осадки свай и свайного фундамента А.А. Бартоломеем, Ю.А. Соболевским, М.И. Никитенко и другими.
При моделировании работы свай и свайного фундамента с использованием существующих критериев моделирования возникает большая погрешность в результате определения несущей способности свайного фундамента в натурных размерах (из результатов испытаний модели свайного фундамента), расхождение достигается 17 раз и более. Это свидетельствует о необходимости совершенствования условий физического моделирования работы свай и свайного фундамента с грунтовым основанием.
Для получения условия моделирования несущей способности свай и свайного фундамента в песках использована формула для определения несущей способности сваи. Принимая, что эта формула справедлива как для модели, так и для натуры, используя условие моделирования напряжений по В.А. Флорину (1):
 (1)
получено новое условие моделирования несущей способности свай и свайного фундамента (2):
 , (2)
где: l – масштабный множитель линейных размеров; – масштабный множитель напряжений; F – масштабный множитель предельной несущей способности; m – поправочной коэффициент (для свай и свайного фундамента в песках можно принять m = 0,1).
Аналогичным путем для деформирующегося грунтового основания получено условие подобия осадки свай и свайного фундамента в виде соотношений (3):
 , (3)
где: s – масштабный множитель деформаций.
П  ри выполнении лабораторных экспериментов использованы условия приближенного физического моделирования (2), (3). Опыты велись в металлическом лотке (рис. 1) круглой формы (1), диаметр 105 см, высота 110 см, заполненном грунтом. Лоток жестко соединялся с нагрузочной платформой (3) через 6 стержней (4). В опытах использовались деревянные сваи (5) диаметром 10 мм длиной 40, 50 и 60 см. Ростверк выполнен в виде металлического штампа (6) размером в плане 70х180мм. Для измерения осадок использовались 2 измерителя (9). Нагрузка на штамп передавалась гидравлическим домкратом (7), соединенным с образцовым динамометром (8) марки ДОС-3. Динамометр работает на сжатие и рассчитан на нагрузку до 30 кН.
В модельных экспериментах использовался песок средней крупности в воздушно-сухом состоянии. Песчаные грунты различного состояния в основаниях каждой из пяти серий опытов (в указанной ниже последовательности) характеризуются следующими физико-механическими показателями (рис. 3):
Однослойное основание: песок в рыхлом состоянии плотности, удельный вес 17,02 кН/м3, коэффициент пористости 0,704, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 6,5 МПа.
Однослойное основание: песок в средней плотности, удельный вес 17,79 кН/м3, коэффициент пористости 0,630, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 32 МПа.
Двухслойное основание: верхний слой (с поверхности до глубины 25 см) в рыхлом состоянии плотности, удельный вес 16,92 кН/м3, коэффициент пористости 0,714, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 4 МПа. Нижний слой (с глубины 25см до дна установки) в среднем состоянии плотности, удельный вес 17,79 кН/м3, коэффициент пористости 0,630, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 32 МПа.
Двухслойное основание: верхний слой (с поверхности до глубины 25 см) в среднем состоянии плотности, удельный вес 17,26 кН/м3, коэффициент пористости 0,68, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 19 МПа. Нижний слой (с глубины 25 см до дна установки) в среднем состоянии плотности, удельный вес 17,79 кН/м3, коэффициент пористости 0,630, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 32 МПа.
Д вухслойное основание: верхний слой (с поверхности до глубины 25 см) в среднем состоянии плотности, удельный вес 17,50 кН/м3, коэффициент пористости 0,657, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 28 МПа. Нижний слой (с глубины 25 см до дна установки) в среднем состоянии плотности, удельный вес 17,79 кН/м3, коэффициент пористости 0,630, угол внутреннего трения 32, модуль деформаций 32 МПа.
Модельный фундамент (рис. 4, 5) состоял из металлического штампа с размерами в плане 70х180мм и из 4, 5 и 6 вертикальных деревянных свай диаметром 10мм и длиной 40, 50 и 60см. Схемы расположения свай в плане приведены на рис. 4. Каждая конструкция (высокий ростверк, низкий ростверк и штамп без свай) испытывалась по 3 раза (рис. 5, а, б, в).
 
На рис. 6 приведены результаты испытаний: высокого ростверка (кривая 1), низкого ростверка (кривая 2) и штамп без свай (кривая 3). Доля нагрузки, приходящаяся на сваи при предельной осадке (sи), равна нагрузке, действующей на модель свайного фундамента с высоким ростверком (при той же осадке) Nсв Nс. Доля нагрузки, приходящаяся на ростверк, получена путем вычитания из общей нагрузки (Nоб) части, приходящейся на сваи (Nр Nоб Nс N). Таким образом, результаты испытаний позволяют оценить распределение нагрузки в системе «ростверк – сваи – песчаный грунт» при изменении основных факторов.
Для оценки несущей способности свайных фундаментов в натурную величину по данным модельных испытаний, использованы условия физического моделирования (2) и (3) для переноса. Результаты испытаний моделей свайных фундаментов можно перенести на натурные конструкции, пересчитав их через принятые из условия моделирования масштабными множителями. Величина масштабного множителя линейных размеров принята равной 30 (l 30).
Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что доля нагрузки, приходящаяся на штамп, изменяется в большом диапазоне (с 9 до 45% от общей нагрузки) и зависит от длины и количества свай, а также от модуля деформации грунта под ростверком. Влияние указанных факторов наглядно показано на графиках (рис. 7 10) в виде зависимости коэффициента распределения нагрузки k (.k Nр. Nсв) от длины свай, их количества в составе модели фундамента n и модуля деформации песка в основаниях.
Рис. 7. Зависимость коэффициента
k Nр. Nсв от количества сваи
Рис. 8. Зависимость нагрузки, приходящейся на сваи, Nсв от количества сваи n
На рис. 7 и 8 показаны зависимости коэффициента k и нагрузки, приходящейся на сваи от количества свай ( n) в составе свайного фундамента. С увеличением количества свай уменьшается коэффициент k, соответственно увеличивается нагрузка, приходящаяся на сваи . Статистическая обработка результатов экспериментов с помощью программы TableCurve 2D и GRAPH показала, что зависимость коэффициента k от количества свай ( n) может быть представлена в виде формулы (4).  . (4) Отсюда получили:  , (5) где N1 – нагрузка, приходящаяся на одну сваю.
Рис. 9. Зависимость коэффициента
k Nр. Nсв от длины свай
Рис. 10. Зависимость коэффициента
k Nр. Nсв. от модуля деформации верхнего слоя грунта основания
Статистическая обработка показала, что величина коэффициента k в значительной нелинейной степени зависит от длины свай (рис. 9). При увеличении длины свай от 12 до 18 м k уменьшается от 0,818 до 0,429. Величина коэффициента k в значительной степени зависит от деформационных свойств грунта, взаимодействующего с ростверком. В опытах на двухслойном основании варьирование модуля деформации Е верхнего слоя грунта под штампами от 4 до 32 МПа приводит к изменению k в пределах от 0,101 до 0,474 (рис. 10). Зависимость коэффициента k от модули деформации верхнего слоя грунта под штампом ( Е1) может быть принята нелинейной в виде формулы (6).  , (6) где: s – осадка ростверка;  – приведенная площадь подошвы штампа; he – мощность эквивалентного слоя; 1 2 2 (1 ) – коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона грунта (). На основания переносов полученных результатов модельных испытаний (свайного фундамента с низким ростверком) с использованием условий физического моделирования в натурных размерах установлены основные закономерности взаимодействия свайного фундамента с грунтовым песчаным массивом основания. |
