На правах рукописи
СБИТНЕВ Андрей Владимирович
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СВАЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ
ПО ТЕХНОЛОГИИ ВЫТЕСНЕНИЯ В СЛАБЫХ ГРУНТАХ
Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2009
Работа выполнена на кафедре геотехники в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор
Фадеев Александр Борисович
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор
Парамонов Владимир Николаевич
Кандидат технических наук
Лукин Владимир Александрович
Ведущая организация: ООО «Геоизол», г. Санкт-Петербург
Защита состоится «10» марта 2009 г. в 1600 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.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», а также на сайте www.spbgasu.ru. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4.
Тел./факс 8 (812) 316-58-72
Автореферат разослан « 6 » февраля 2009 г.
Ученый секретарь
совета по защите докторских
и кандидатских диссертаций
д.т.н., профессор Ю.Н. Казаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сваи заводского изготовления, погружаемые путем забивки или вдавливания без выемки вытесняемого грунта, применяются в отечественной строительной практике достаточно давно. С начала 90-х годов прошлого века на отечественном строительном рынке начали появляться новые зарубежные технологии изготовления буронабивных свай без выемки грунта. Но наиболее новой и современной технологией изготовления свай вытеснения (уплотнения) является технология «DDS» (Drilling Displacement System) немецкой фирмы «Bauer», появившаяся в 2000-м году на строительных площадках. Ее главными преимуществами перед другими аналогичными технологиями изготовления свай в грунте являются: высокая скорость изготовления свай; высокая экономическая эффективность; низкий уровень шума при производстве работ; отсутствие вибраций.
Рекомендуемые нормативными документами расчеты несущей способности свай по грунту были разработаны для забивных свай и буровых свай, изготавливаемых с выемкой грунта.
Между тем многочисленные полевые испытания буронабивных свай на вертикальную нагрузку в различных инженерно-геологических условиях показывают, что их несущая способность по грунту значительно выше рассчитанной по таблицам СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».
Вопрос о влиянии технологии «DDS» при изготовлении буронабивных свай на их несущую способность еще практически не изучен. Неясно также, какие деформации окружающего массива вызывает грунт, вытесняемый при изготовлении свай, и какую опасность могут представить эти деформации для конструкций окружающих объектов. Отсутствуют какие-либо нормативные требования к использованию этой технологии, гарантирующие качество изготавливаемых свай и безопасность окружающей застройки.
Целью работы является оценка несущей способности буронабивных свай вытеснения, изготавливаемых по технологии «DDS», оценка возникающих при этом деформаций окружающего массива грунта и разработка стандарта на технологию «DDS», гарантирующего проектные параметры изготавливаемых свай и безопасность соседних строений.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
Проанализирована работа сваи на вертикальную нагрузку.
Проведены аналитические расчеты сваи на вертикальную нагрузку различными способами. Проанализированы достоинства и недостатки различных методов расчетов. Выполнено сравнение полученных данных с результатами расчета численными методами (численным моделированием) и результатами полевых испытаний свай.
Выполнено сравнение результатов пятидесяти двух полевых испытаний буронабивных свай на вертикальную нагрузку с несущей способностью, рассчитанной по требованию норм.
На основе метода определения несущей способности сваи по данным статического зондирования разработан инженерный метод расчета буронабивных свай на вертикальную нагрузку.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Выполнен сопоставительный анализ геотехнических особенностей различных технологий изготовления свай в грунте.
Выполнено математическое моделирование, дан прогноз изменения несущей способности и деформации массива грунта свай вытеснения, выполненной по технологии «DDS».
Методом статического зондирования проведена оценка зон структурных изменений грунта вокруг тела сваи.
Проведена обработка методами математической статистики результатов пятидесяти двух статических испытаний свай, позволившая установить и разработать методику расчета несущей способности свай, изготовленных по технологии «DDS».
На защиту выносится:
Поправочные коэффициенты для определения несущей способности буронабивных свай вытеснения на вертикальную сжимающую нагрузку с учетом методики определения несущей способности сваи.
Результаты аналитического исследования различных способов определения несущей способности свай на вертикальную сжимающую нагрузку и их сравнение с численным моделированием и полевыми испытаниями свай.
Результаты математического моделирования определения зоны влияния на околосвайный массив грунта при изготовлении буронабивных свай вытеснения по технологии «DDS».
Результаты анализа натурного эксперимента по определению зоны структурных изменений в окружающем геомассиве методом CPT.
Рекомендации для практического применения в качестве стандарта организации.
Практическая ценность работы. Полученные поправочные коэффициенты для определения несущей способности буронабивных 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 по определению несущей способности, а также разработанные автором рекомендации по применению буронабивных свай вытеснения, устраиваемых по технологии «DDS» были внедрены на следующих объектах строительства в Санкт-Петербурге:
Строительство жилого дома, расположенного на ул. Восстания, д. 47.
Строительство бизнес-центра, расположенного на ул. Марата, д. 69.
Строительство многофункционального торгово-развлекательного центра, расположенного на ул. Стремянная, д. 21/5, литер «А».
Строительство гостиничного комплекса, расположенного на пл. Островского, д. 2.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на трех научно-практических конференциях СПбГАСУ (2005 – 2007 гг.), получили отражение в 12 научных публикациях и в стандарте организации, утвержденном ТК 465 «Строительство» Федерального агентства технического регулирования и метрологии № ТК465-004 от 06 апреля 2007 г.
Публикации. Опубликовано 12 научных статей, в том числе две в издании из перечня ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендуемых ВАК для опубликования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 6 приложений. Список работ включает 127 наименований. Общий объем диссертации составляет 85 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 10 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель, задачи, научная новизна и практическое значение работы, методика исследования, формулируются основные научные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
В первой главе дан обзор современного состояния исследуемой темы. Дана последовательность выполнения некоторых технологий изготовления свай вытеснения, отражены их достоинства и недостатки. Кратко описаны инженерно-геологические условия Санкт-Петербурга, дана характеристика слабых грунтов. Проанализированы существующие методы расчета свай на вертикальную вдавливающую нагрузку.
Исследованием несущей способности свай занимались Ю.А. Багдасаров, А.А. Бартоломей, В.Г. Березанцев, Н.М Герсеванов, Б.И. Далматов, Х.А. Джантимиров, А.И. Егоров, В.А. Ильичев, Ф.К. Лапшин, А.А. Луга, В.А. Лукин, Р.А. Мангушев, Н.Н. Морарескул, Г.Ф. Новожилов, А.И. Осокин, В.Н. Парамонов, Ю.В. Россихин, Е.А. Сорочан, С.Н. Сотников, С.В. Татаринов, Ю.Г. Трофименков, В.М. Улицкий, А.Б. Фадеев, В.Г. Федоровский, Г.С. Шапиро, К.Г. Шашкин, R. Katzenbach, A. Pinto, E. Schultze, K. Terzaghi и другие.
Для оценки инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга был сделан их краткий анализ и выявлены характерные особенности слабых пылевато-глинистых грунтов на основе работ ученых Л.Г. Заварзина, С.Н. Сотникова, В.М. Фурсы и других.
В работе были рассмотрены следующие современные технологии устройства свай: забивные сваи; сваи вдавливания; сваи, изготавливаемые под защитой обсадной трубы; сваи, изготавливаемые под защитой тиксотропного раствора; сваи, изготавливаемые при помощи коротких проходных шнеков; сваи, изготавливаемые с помощью обсадной трубы и теряемого наконечника; винтовые сваи; сваи, изготавливаемые при помощи непрерывного проходного шнека; сваи, изготавливаемые при помощи непрерывного проходного шнека и обсадной трубы; сваи, изготавливаемые по струйной технологии; сваи вытеснения.
Формирование скважины в пористых маловлажных устойчивых лессовых грунтах за счет уплотнения и вытеснения грунта с помощью раскатчика было предложено в СССР В.И. Феклиным. Немецкая фирма «Bauer» в развитие технологии раскатки разработала комплект оборудования «DDS» для раскатки и бетонирования скважин в слабых водонасыщенных грунтах.
В современных нормативных документах отсутствует описание рассматриваемой технологии изготовления свай. Отличительными признаками свай «DDS» служат: специальная конструкция рабочего органа (раскатчика), заполнение бетоном скважины производится под давлением, армирование выполняется после окончания процесса бетонирования.
Конструктивные особенности и технология изготовления свай вытеснения «DDS» существенно влияют на их работу в грунте и, соответственно, на их несущую способность. Так, из-за вытеснения грунта рабочим органом в окружающий геомассив, несущая способность сваи обеспечивается за счет увеличенных уплотнением сил трения. При последующей передаче на сваю вертикальной нагрузки силы трения, действующие по ее боковой поверхности, существенно возрастают. Погружение арматурного каркаса при помощи вибропогружателя в заполненную бетоном скважину позволяет дополнительно уплотнить бетонную смесь.
В действующих нормативных документах нет четких указаний по определению несущей способности по грунту свай вытеснения на вертикальную нагрузку. Нет специальных рекомендаций по обеспечению долговечности, надежности и эффективности свай вытеснения в условиях слабых грунтов. Представляется, что эти факторы могут явиться определяющими при устройстве в грунте свай вытеснения, особенно в толще слабых водонасыщенных грунтов, характерных для многих регионов страны.
Несущая способность свай вытеснения в связи со значительной длиной и особенностями их устройства в значительной степени зависит от качества и технологии их изготовления, характера и условий работы.
Во второй главе выполнено численное моделирование в осесимметричной двухмерной постановке, с помощью программного комплекса Plaxis для двух моделей грунта упруго-пластической модели Кулона–Мора и для упрочняющейся модели грунта (Harderining-Soil model).
Цель проведенного численного моделирования – сопоставительный анализ поведения под вертикальной нагрузкой буровой сваи и сваи вытеснения. Расчетные параметры численной модели в целом соответствуют условиям выполненного статического испытания сваи 15.07.2003 по адресу: СПб, ул. Камышовая, кв. 52 СПЧ, к. 12, 13.
Рассматриваемая свая обладает следующими параметрами: длина – 24 м, диаметр – 0,5 м, материал – бетон В25, модуль упругости – 20000 МПа.
Расчетные грунтовые условия приняты на основе геологических данных в виде двухслойной толщи с усредненными характеристиками: слабый верхний слой подстилается слоем с более высокими прочностными и деформационными показателями (табл. 1).
Таблица 1
Расчетные характеристики грунтов
 *Примечание: столбцы 5 и 7 относятся к модели упрочняющегося грунта.
Моделирование для обеих моделей грунта выполнялось в два этапа, на первом этапе моделировалась работа буровой свай, выполненной под защитой обсадной трубы, заполнение ее бетоном при одновременном извлечении, а на втором этапе моделировалась работа сваи вытеснения, выполненная без выемки грунта.
Рис. 1. Расчетная схема
Моделировалось три вида воздействий:
Формирование природных напряжений, обусловленных силами гравитации.
Приложение радиального перемещения по боковой поверхности сваи 0 см для буровой сваи и величиной 10 см для сваи вытеснения, при таком перемещении площадь сечения сваи вытеснения увеличивается вдвое, то есть моделируется вдавливание в стенки скважины всего первоначального объема скважины. Подобный прием моделирования раскатки скважины использован для того, чтобы избежать появления в конечных элементах грунта вокруг скважины чрезмерно больших относительных деформаций, на которые программа Plaxis не рассчитана. Радиальное перемещение контура поперечного сечения сваи достигается приложением по контуру сваи радиального распределенного усилия р=8000000 кН/м2. При модуле материала сваи Е=20000000 кН/м2 и радиусе r=0,25 м такое усилие вызовет увеличение радиуса сваи как раз на нужную величину:  0,1 м. Поскольку модуль грунта на несколько порядков ниже модуля сваи, грунт практически не влияет на расширение сваи.
Пошаговое приложение по боковой поверхности сваи вертикального перемещения 10 см. Подобное задание вертикальной нагрузки позволяет избежать высокой концентрации напряжений в элементах вблизи оси сваи.
На рис. 1 изображена расчетная схема. Подошва сваи заглублена в полутвердый моренный суглинок на 4 м, как было и при реальном статическом испытании.
Моделирование несущей способности выполнялось в две фазы: на первой фазе прилагалось воздействие 1 и формировалось поле начальных напряжений; на второй фазе прилагались воздействия 2 и 3, обусловленные формированием и нагружением сваи.
На рис. 2 представлены результаты моделирования в виде графиков нагрузка–осадка и график реального испытания. Все расчетные графики обрываются при нагрузке, достигнутой при осадке сваи 10 см. График испытаний заканчивается при нагрузке 280 т, когда осадка головы сваи составила 25 мм, и испытание было сочтено завершенным.
Рис. 2. Графики нагрузка–осадка: Б – буровая свая, В – свая вытеснения, К – модель грунта Кулона–Мора, У – модель упрочняющегося грунта, Исп – испытания
Анализируя графики, можно констатировать:
графики буровых свай БК и БУ при обеих моделях грунта при осадке 40–45 мм резко увеличивают крутизну, практически моделируется срыв свай. Можно сказать, эти графики подтверждают справедливость установленного в ТСН 50-302-2004 положения, что при испытаниях свай в грунтах Петербурга за несущую способность следует принимать нагрузку при осадке 40 мм;
графики свай вытеснения ВК и ВУ до осадки 100 мм не проявляют признаков срыва и очевидно имеют более высокую физическую несущую способность по сравнению с буровыми сваями БК и БУ, однако до осадок 40 мм графики свай вытеснения лежат несколько ниже графиков буровых свай;
графики свай в упрочняющемся грунте (графики БУ и ВУ) лежат выше графиков в грунте Кулона–Мора (графики БК и ВК) и расположены ближе к графику испытаний. Этому можно дать следующее объяснение. Осадки свай в численных моделях и при полевых испытаниях представляют собой «сдвиговую» (по Б.И. Далматову) осадку, определяемую поведением ближайшей к свае области грунта, а отнюдь не строительную осадку, определяемую сжимаемостью подсвайной толщи. Очевидно, изменение напряженного состояния вокруг сваи при ее вертикальном нагружении, сопровождающееся сдвиговой осадкой, происходит в пределах упругой зоны на модели упрочняющегося грунта с модулем упругости Eref.ur , который по умолчанию принят в 3 раза выше модуля первичного сжатия (Ere.ur = 3∙Eref,50);
если за несущую способность сваи считать нагрузку при осадке 40 мм, то по графикам получаем следующие величины: свая БК – 260 т, свая ВК – 210 т, свая БУ – 315 т, свая ВУ – 325 т;
расчетный график ВУ практически совпадает с графиком реального испытания Исп до его окончания при осадке 25 мм и нагрузке 280 т. Это дает основание ожидать, что если бы реальное испытание было доведено до нормативной осадки 40 мм, то нагрузка при этом была бы близка к 325 т, как у графика ВУ. Соответственно несущая способность испытуемой сваи оценивалась бы величиной 325, а не 280 т, то есть на 16% выше. Можно утверждать, что сложившаяся в Петербурге практика не доводить сваи при испытаниях до осадки 40 мм сильно занижает их несущую способность и ведет к перерасходу средств на устройство фундаментов.
Моделирование деформаций окружающего массива выполнялось также в две фазы. На первой фазе формируется поле начальных напряжений. На второй фазе прилагается воздействие 2 – радиальное перемещение по боковой поверхности сваи.
Влияние вытеснения грунта из объема раскатываемой скважины на окружающий массив оказалось прямо противоположным в грунте Кулона–Мора и в упрочняющемся грунте.
Полученные в расчете точки пластики, в результате расширения скважины в грунте Кулона–Мора, образуют в сумме цилиндрическую область пластических деформаций вокруг скважины радиусом 2–3 м. Максимальный подъем поверхности грунта вблизи сваи составил 90,47 мм. С удалением от скважины подъем точек грунта быстро затухает. Подобный эффект вполне объясним: пластические деформации грунта по модели Кулона–Мора идут по закону несжимаемой жидкости, поэтому грунт в пластической области вытесняется при раскатке вверх.
Пластическая область по критериям сдвигового и объемного упрочнения охватывает почти всю рассматриваемую область радиусом 15 м. В отличие от грунта Кулона–Мора результатом вытеснения упрочняющегося грунта на численной модели явилось оседание грунта вокруг сваи с амплитудой до 89 мм. При этом амплитуда оседания с удалением от скважины снижается очень медленно.
Эффекту оседания можно дать следующее объяснение. При пластическом течении на эллиптическом (шатровом) участке поверхности течения даже чисто девиаторные (сдвиговые) деформации сопровождаются сокращением объема (уплотнением) грунта. В этом, собственно, и состоит механизм упрочнения. Уплотнение грунта вызывает его оседание. А область пластичности по критерию объемного упрочнения очень велика, поэтому оседание затухает с удалением от скважины медленно.
По литературным данным, рассматриваемым в главе 3, непосредственно при устройстве свай вытеснения наблюдается подъем окружающих зданий, сменяющийся длительным их оседанием. Таким образом, использованные две модели грунта в сумме моделируют две стадии деформаций окружающего массива.
|
