Сайт инженера-проектировщика
Свежие записи
Прогноз осадок свайных фундаментов А.А. Бартоломей, 1994
А.А. Бартоломей
Прогноз осадок свайных фундаментов
СКАЧАТЬ ФАЙЛ НА GOOGLE.ДИСК
СКАЧАТЬ ФАЙЛ НА ЯНДЕКС.ДИСК
Книга «Прогноз осадок свайных фундаментов» написана заслуженным деятелем науки и техники, профессором А.А. Бартоломем. Книга будет полезной инженерно-техническим работникам проектных организаций. Книга состоит из девяти глав.
В первой главе рассматриваются комплексные экспериментальные исследования взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом.
Во второй главе приводится расчет осадок кустов свай. Также рассматриваются особые случаи – расчет осадок и крена внецентренно нагруженных свайных фундаментов.
В третьей главе рассмотрен расчет осадок ленточных свайных фундаментов. Приводятся примеры расчета.
Четвертая глава посвящена определению напряженного состояния активной зоны центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов.
В пятой главе разобран метод определения изменения несущей способности свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах.
В шестой главе приводится расчет осадок свай и свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных грунтах.
В седьмой главе дается прогноз осадок свай и свайных фундаментов с учетом реологических параметров основания.
Восьмая глава посвящена проектированию свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам зданий и сооружений.
В девятой главе представлены результаты наблюдений за осадками зданий и сравнения расчетных и фактических осадок свайных фундаментов.
Источник
Бартоломей — Прогноз осадок свайных фундаментов
А.А.Бартоломей, И.М.Омельчак, Б.С. Юшков
ПРОГНОЗ ОСАДОК СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Под редакцией чл.-корр. РАН
засл. деят. науки и техники проф. А.А. Бартоломея
Москва Стройиздат 1994
Приведены результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований осадок и несущей способности свайных фундаментов, основные закономерности их взаимодействия с окружающим грунтом. Изложены методы определения напряжений в активной зоне, полных осадок и осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения нагрузки внутри массива и вида эпюр ее передачи по боковой поверхности и в плоскости острия свай, параметров фундамента, структурной прочности грунта, сжимаемости газосодержащей жидкости, реологических параметров грунта основания. Рассмотрены методика и опыт проектирования свайных фундаментов исходя из предельно допустимых осадок зданий.
Для инженерно-технических и научных работников научно- исследовательских, проектных и строительных организаций.
В настоящее время свайные фундаменты получили широкое распространение в промышленном и гражданском строительстве, особенно в сложных инженерно-геологических условиях. Удельный вес свайных фундаментов составляет 26,6% общего объема фундаментов и достигает 40% в промышленном строительстве и 50—70% в жилищном. Затраты на свайные фундаменты составляют ежегодно десятки миллиардов рублей.
В последние годы выполнен значительный объем экспериментальных и теоретических исследований по свайным фундаментам, что позволило существенно усовершенствовать нормы их проектирования (СНиП 2.02.03-85). За последние 15 лет нормативные значения расчетных сопротивлений под нижними концами свай увеличились на 7—29%, а несущая способность свай — в 1,3—1,5 раза. Большие работы проведены по совершенствованию методов расчета свай по физико — механическим характеристикам грунтов и данным зондирования. Принятый в нормах метод определения несущей способности свай обеспечивает получение достаточно надежных результатов, во всяком случае более надежных, чем по зарубежным методам (коэффициенты надежности и коэффициенты запаса в отечественных нормах принимаются от 1 до 1,4, а в зарубежных нормах от .1,5 до 2,5). Следует отметить, что применение свайных фундаментов не. всегда увязывается с грунтовыми условиями строительных площадок и экономически целесообразно. Нередки случаи завышения, а иногда и занижения несущей способности свай, сваи погружаются неправильно и часть свай не доходит до проектной отметки «дна котлована» на несколько метров («попы»).
В настоящее время объем применения прогрессивных видов свай (предварительно напряженных, пирамидальных, свай-колонн, составных, набивных и др.) составляет 1,9 млн м2, или 27,1% общего объема свай всех видов. Объем использования предварительно напряженных свай, в том числе без поперечного армирования, составляет лишь около 20%, тогда как проведенные нами исследования и имеющийся опыт показывают, что применение этих свай может достичь минимум 50%. Практически не используются пустотелые сваи, в частности квадратные с круглой полостью и полые круглые, в том числе конические, применение которых позволяет снизить расход бетона на 25—30%.. Между тем по данным ВНИИ оснований и подземных сооружений технически возможным и экономически обоснованным является использование таких свай в объеме 3,5 млн м2 в год. Ведутся исследования действительной работы тавровых и пирамидальных свай с консолями для зданий и сооружений с распорными нагрузками, свай с переменным по длине поперечным сечением, одинаково эффективно работающих на вертикальные и горизонтальные нагрузки, свай с развернутым поперечным сечением, позволяющих уменьшить силы негативного трения. В отечественном строительстве используются в основном забивные сваи.
Несмотря на имеющуюся тенденцию распространения набивных свай, их удельный вес в целом по стране в общем объеме всех видов свай составляет пока 12%. Редко применяются короткие набивные конические, пирамидальные, цилиндрические сваи, позволяющие в большей мере использовать несущую способность основания. Заслуживают большего внимания сваи в пробитых скважинах. Отсутствие современного оборудования является препятствием для использования в массовом строительстве набивных свай в водонасыщенных грунтах.
Давно разработаны и применяются безростверковые свайные фундаменты, позволяющие снизить стоимость работ на 10%. Однако объем их применения составляет 6 млн м- общей площади, или 14,3% общего объема жилых зданий, возводимых на свайных фундаментах (в Перми свыше 50%). Следует отметить отставание и в разработке оборудования для погружения забивных и устройства набивных сваи. Для массового строительства необходимы паровоздушные молоты с массой ударной части 10 т, а для строительства уникальных сооружений — с массой ударной части до 50 и 200 т.
В связи с возрастанием объемов применения свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях требуются разработка и внедрение новых эффективных технологий и методов погружения свай. На основании всесторонних экспериментальных и теоретических исследований разработан принципиально новый способ погружения Свай с использованием импульсных установок, разработана механизированная безотходная технология забивки свай и внедрен в строительную практику способ устройства свайных фундаментов с погружением свай до заданных отметок. На ближайшие годы намечены следующие основные направления в разработке технологии возведения свайных фундаментов: разработка комплектов и серийный выпуск импульсных установок для погружения свай и оборудования для механизированной безотходной технологии, обеспечивающих автоматическую забивку свай до проектной отметки, а при необходимости и их срезку; разработка конструкций составных модульных свай; создание надежных методов контроля качества свайных фундаментов; разработка индустриальных конструкций длинномерных предварительно напряженных свай, составных свай-колонн, технологии устройства буронабивных и набивных свай в пробитых скважинах, буроинъекционных свай; разработка комплектов оборудования для вдавливания многосекционных свай при усилении фундаментов реконструируемых зданий и сооружений.
В последние годы проведены многочисленные комплексные, модельные, полунатурные и натурные полевые исследования взаимодействия свай и свайных фундаментов с окружающим грунтом. В результате проведенных исследований выявлены изменения физико-механических свойств грунтов в результате забивки свай, закономерности распределения сил трения по боковой поверхности свай и сопротивления острия при их работе в различных грунтовых условиях и в составе различных фундаментов, установлено взаимовлияние свай в составе фундаментов и взаимовлияние свайных фундаментов в зависимости от количества свай в их составе, длины свай, расстояния между фундаментами, определены зоны уплотнения вокруг свай и в плоскости острия, послойные деформации в активной зоне. Частично определены реологические параметры оснований активной зоны свайных фундаментов в зависимости от грунтовых условий, длины свай, параметров свайного фундамента и величины действующей нагрузки.
Для правильного прогнозирования совместной работы оснований, фундаментов и надземных конструкций необходимо иметь надежные методы прогноза осадок во времени и неравномерных осадок, правильно определять несущую способность и оценивать устойчивость фундаментов. На основании комплексных экспериментально-теоретических исследований во ВНИИОСП, МИСИ, ЛИСИ, ППИ, СаратовПИ, МарПИ, Укрспецпроекте и других организациях разработаны методы прогноза осадок свай и свайных фундаментов от действия постоянных, переменных и технологических нагрузок с учетом взаимовлияния, деформативных свойств грунтов и геометрических параметров фундаментов и ;методы расчета несущей способности и устойчивости свай и свайных фундаментов.
Однако в отношении оценки несущей способности свай и свайных фундаментов, их проектирования, прогноза осадок, крена, неравномерных осадок во времени имеется много нерешенных вопросов, особенно в сложных инженерно-геологических условиях, объем строительства которых в ближайшие годы достигнет более 50%. Кроме того, анализ отечественного фундаментостроения показывает, что несмотря на достигнутые успехи в области теоретических разработок Технический уровень массового строительства не соответствует современным требованиям.
Сравнительный анализ конструктивных решений фундаментов аналогичных сооружений в близких инженерно-геологических условиях в нашей стране и передовых зарубежных странах показывает, что несмотря на более высокий общий теоретический уровень исследований по механике грунтов и фундаментостроению при одинаковых нагрузках наши фундаментные конструкции более материалоемки. Создавшееся положение объясняется следующими причинами: в большинстве зарубежных стран нет обязательных регламентирующих норм на расчет и проектирование гражданских и промышленных зданий и сооружений, кроме особо ответственных (здание АЭС, массивные опоры, высотные сооружения); инженерно-изыскательские, исследовательские, проектные и строительные работы ведутся одними фирмами; строительные нормы и правила, обязательные для расчета фундаментов в нашей стране, не в состоянии охватить широчайший диапазон изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий взаимодействия фундаментов и грунтов, особенностей нагружения, прогноза и учета реальных длительных процессов взаимодействия системы основание — фундамент — сооружение. В результате запроектированные по СНиП фундаментные конструкции не всегда отвечают оптимальным критериям по стоимости и трудоемкости. Намечены следующие основные направления дальнейших работ по проектированию и расчету свай и свайных фундаментов.
1. Разработка единой системы требований к инженерно- геологическим изысканиям для свайных фундаментов, оформлению материалов изысканий, а также системы их
хранения и поиска, т.е. банка инженерно-геологических данных.
2. Разработка надежных методов оценки несущей способности различных свай по данным статического зондирования и испытания длинноразмерных (по длине свай) моделей свай. Оценка по этим испытаниям реологических параметров основания фундаментов.
3. Изменение существующего порядка финансирования работ по забивке и испытаниям опытных свай на стадии изысканий.
4. Уточнение понятия предельной несущей способности различных свай по грунту. Надо иметь в виду, что несущая способность свайных фундаментов при расстоянии между сваями, равном трем диаметрам, может быть правильно оценена только исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений.
5. Районирование грунтов по инженерно-геологическим свойствам, обеспечивающее вариантное проектирование фундаментов. Шире внедрять региональные рекомендации по рациональному проектированию свайных фундаментов.
6. Разработка и внедрение единой унифицированной системы автоматизированного проектирования свайных фундаментов.
7. Разработка типовых проектов свайных фундаментов для зданий и сооружений массового применения на основании вариантного метода и оптимизации решений на ЭВМ.
8. Разработка единой унифицированной программы прогноза осадок одиночных свай, ленточных свайных фундаментов и кустов свай в рамках нелинейной теории наследственной ползучести и теории фильтрационной консолидации методом конечных элементов.
9. Проведение комплексных экспериментально-теоретических исследований несущей способности и осадок свай и свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях (просадочных, набухающих, засоленных и загипсованных, закарстованных, насыпных и слабых водонасыщенных и заторфованных грунтах).
Экспериментальные исследования показывают, что несущая способность свайных фундаментов из висячих свай может быть правильно оценена только исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений. Однако методы расчета осадок различных свайных фундаментов разработаны еще недостаточно, поэтому приведенные в книге результаты всесторонних экспериментальных исследований осадок и несущей способности свайных фундаментов, методы прогноза осадок и методика проектирования свайных фундаментов исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений с учетом закономерностей взаимодействия свай с окружающим грунтом и реологических параметров грунта основания имеют большое научное и практическое значение.
Комплексные экспериментально-теоретические исследования осадок свайных фундаментов и взаимодействия свай с окружающим грунтом позволили в натурных условиях уточнить физическую сущность процесса увеличения несущей способности свай и свайных фундаментов во времени; установить изменение физико-механических свойств грунтов в уплотненной зоне; изучить закономерности распределения сил трения по боковой поверхности свай свайных фундаментов при их работе в различных грунтовых условиях; выявить закономерности развития осадок центрально и внецентренно загруженных свайных фундаментов в зависимости от расстояния между сваями, их длины; установить взаимное влияние свайных фундаментов, фактические осадки зданий; изучить напряженно-деформированное состояние активной зоны.
На основании аналитических решений разработаны методы определения несущей способности свайных фундаментов во времени при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах; методы определения напряжений в активной зоне; методы расчета полных осадок и осадок во времени ленточных свайных фундаментов и кустов свай с учетом приложения нагрузки внутри массива и закономерностей передачи ее по боковой поверхности и в плоскости острия свай, параметров фундаментов, коэффициента бокового расширения грунта, структурной прочности грунта, сжимаемости газосодержащей жидкости и других факторов; получены формулы расчета осадок свай и свайных фундаментов во времени с учетом нелинейных свойств грунта и предложена методика проектирования свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам зданий и сооружений.
Результаты проведенных комплексных натурных исследований взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом, их осадок и напряженно-деформированного состояния активной зоны позволяют учитывать при проектировании свайных фундаментов увеличение несущей способности свай и свайных фундаментов во времени, изменения физико- механических свойств грунтов в результате забивки свай, закономерности распределения сил трения по боковой поверхности и сопротивления острия, проверять и разрабатывать новые методы определения напряжений и расчета осадок фундаментов.
Разработанные методы расчета осадок и определения напряжений наиболее полно учитывают действительную работу свайных фундаментов и позволяют с минимальной затратой времени рассчитывать полные осадки и осадки во времени, напряжения во всей активной зоне центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов, взаимное влияние фундаментов и проектировать свайные фундаменты по предельным состояниям.
Использование полученных данных в практике строительства показало, что нагрузки на свайные фундаменты могут быть во многих случаях увеличены на 30—50%, а при контакте ростверка с грунтом в некоторых случаях более чем в 2 раза.
Внедрение результатов исследований и разработанных рекомендаций в практику строительства, проектирование свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам, учет увеличения несущей способности свай во времени и роли ростверка в несущей способности фундаментов позволило получить на стройках Главзападуралстроя и других объектах значительный экономический эффект.
Анализ показывает, что внедрение прогрессивных конструкций свай, вариантное проектирование и проектирование свайных фундаментов по предельно допустимым деформациям позволят снизить сметную стоимость строительства объектов на свайных фундаментах минимум на 15—20%. Сделанные в монографии выводы и рекомендации относятся к центрально и внецентренно загруженным кустам свай и ленточным свайным фундаментам с одно-, двух- и трехрядным расположением свай при их работе в глинистых грунтах текуче-, мягко- и тугопластичной и полутвердой консистенции и песчаных грунтах рыхлого сложения и средней плотности.
Глава 1. Комплексные экспериментальные исследования взаимодействия свайных фундаментов с окружающим грунтом
1.1. ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ОПЫТНЫЕ ПЛОЩАДКИ
Несмотря на широкое применение свайных фундаментов, еще недостаточно изучены многочисленные факторы, влияющие на несущую способность и осадку свай при их работе в составе различных свайных фундаментов и в различных грунтовых условиях, особенно в глинистых грунтах. Это объясняется чрезвычайной сложностью и трудоемкостью проведения натурных испытаний свайных фундаментов.
Большинство исследователей ставили перед собой задачи по выявлению отдельных закономерностей, поэтому пока мало проведено комплексных натурных исследований по изучению процессов, протекающих в грунтах при забивке свай, по определению изменения давлений в поровой воде и скелете грунта, увеличения несущей способности свай во времени, по установлению распределения сил трения по боковой поверхности свай и сопротивления острия, напряженно-деформированного состояния активной зоны, изменения физико-механических свойств грунта, распределения нагрузки между сваями и выявлению зависимости осадок свайных фундаментов от различных факторов.
С целью исследования осадок и действительной работы свай в составе кустов и ленточных свайных фундаментов авторами были проведены полевые испытания в различных грунтовых условиях одиночных свай, свай-штампов, тензосвай, свайных фундаментов при расположении свай в один и два ряда с расстоянием между сваями 3d и 6d (сваи сечением 25×25 и 30×30 см, длиной 5.—12 м), кустов из 4, 6, 9 свай, ленточного фундамента на естественном основании, штампов. Всего было проведено 22 комплексных исследования различных ленточных свайных фундаментов, девяти кустов, 127 одиночных тензосвай и парных свай, свай-штампов. Опыты проводились в различных районах г. Перми и Пермской области при строительстве гражданских и промышленных зданий и сооружений, а также на семи специальных опытных площадках с различными грунтовыми условиями. Кроме того, было проведено около 500 опытов с мало- и крупномасштабными кустами, ленточными свайными фундаментами с расположением свай в один, два и три ряда в песчаных грунтах в лаборатории и в глинистых грунтах в полевых условиях (сваи диаметром 30 мм , длиной 350, 650 и 1000 мм , расстояние между сваями 3d и 6d).
Программой экспериментов предусматривалось установить: процессы, происходящие в грунтах при забивке и после забивки свай; увеличение несущей способности свайных фундаментов при их работе в водонасыщенных глинистых грунтах; закономерности развития осадок центрально и внецентренно загруженных фундаментов; распределение нагрузки между сваями фундамента; несущую способность свай и свайных фундаментов в различных грунтовых условиях при действии горизонтальной нагрузки; распределение нагрузки между боковой поверхностью и острием сваи; распределение сил трения по боковой поверхности свай при их работе в составе фундамента; напряжение под ростверком, в межсвайном пространстве и в активной зоне фундамента; зоны деформации грунта и распределения напряжений в активной зоне свайных фундаментов.
При всестороннем изучении характера работы свайных фундаментов одним из основных условий является выбор площадок с однородными грунтами значительной мощности, что позволяет обобщить результаты исследований и избежать неправильных выводов. Специальные экспериментальные площадки выбирали с таким расчетом, чтобы можно было провести исследования в глинистых грунтах различной консистенции и песчаных грунтах различной плотности.
Площадки А, В представлены четвертичными суглинками и глинами мягкопластичной консистенции мощностью 12 м . Ниже залегают водонасыщенные пески и гравийногалечниковые отложения, подстилаемые коренными породами (табл. 1.1). С целью исследования работы свай и свайных фундаментов в водонасыщенных глинистых грунтах мягкопластичной консистенции были приняты экспериментальные сваи длиной 5—8 м.
В период экспериментов уровень грунтовых вод находился на 0,15 м ниже поверхности площадки, что позволило проводить опыты в одинаковых условиях. Площадка Б сложена слоем суглинков различной консистенции. С поверхности до глубины 5,5—7 м залегают аллювиально-делювиальные суглинки, консистенция которых изменяется от полутвердой до тугопластичной, а на глубине 4—5 м находятся линзы суглинков текучепластичной и текучей консистенции. Под слоем аллювиально-делювиальных суглинков залегают моренные суглинки тугопластичной консистенции с редким включением гравия, мощность слоя в среднем около 7 м . С глубины 13—14 м залегают галечники с включением глины (табл. 1.2). Площадка Г сложена слоем четвертичных суглинков мягко- и тугопластичной консистенции мощностью 14 м . Ниже залегают гравийно-песчаные отложения, песчаник (см. табл. 1.2). Площадка Д сложена четвертичными суглинками и глинами, консистенция которых изменяется от полутвердой, тугопластичной до мягко- и текучепластичной. Мощность слоя суглинков и глин 24—25 м. Ниже залегают коренные породы, представленные аргиллитами. Грунтовые воды находятся на глубине 2,5—3,5 м.
Физико-механические свойства грунтов, отобранных через 1,5—2 м на глубину до 22 м , приведены в табл. 1.3. На данной площадке были испытаны свайные фундаменты из свай сечением 30×30 см, длиной 12 м . Площадка Е представлена древнечетвертичными и верхнепермскими отложениями. К древнечетвертичным отложениям, которые приурочены к III и IV надпойменным террасам р. Камы, относятся глины, суглинки, гравийные отложения; к верхнепермским — аргиллитоподобные глины. Мощность суглинков и глин 14 м . Их консистенция изменяется от тугопластичной до полутвердой (см. табл. 1.3). Грунтовые воды приурочены к песчано-гравийным отложениям. На данной площадке были испытаны свайные фундаменты из свай сечением 30×30 см, длиной 6 и 12 м .
Площадка Ж сложена мелкозернистыми песками средней плотности. Мощность слоя 15—16 м. Ниже залегают гравийно-галечниковые отложения, песчаники. Кроме натурных опытов в полевых условиях были проведены исследования с мало- и крупномасштабными свайными фундаментами на экспериментальных площадках и в лаборатории. В лаборатории опыты проводились в грунтовом лотке размером в плане 1,4×2 м. Основанием служил однородный пылеватый песок рыхлого сложения, средней плотности и плотный. Песок рыхлого сложения был получен в результате просеивания на наборе сит с высоты 20 см , песок средней плотности и плотный — путем уплотнения слоев толщиной по 10 см до рабочего значения объемной массы грунта, соответствующей 1,75—1,8 т/м для песка средней плотности и 1,9—1,95 т/м — для плотного. Угол внутреннего трения песка средней плотности составлял 26°. Гранулометрический состав грунта: частиц крупнее 1мм — 2,45%; крупнее 0,5 мм— 20,35%; крупнее 0,25 мм— 24,2%; крупнее 0,1 мм — 27%, крупнее 0,05 мм — 26%.
В связи с тем что в процессе экспериментов изменяются плотность и влажность грунта, после каждой серии опытов грунт из лотка извлекали, а затем вновь укладывали, уплотняя до получения необходимой объемной массы, и одновременно увлажняли до первоначальной влажности A6—17%),
Это позволило провести все опыты в грунте примерно одинаковой плотности и влажности и получить более достоверные результаты.
Для оценки точности результатов измерений определяли среднеквадратичную погрешность отдельных измерений, среднеквадратичную погрешность результата серии измерений, абсолютную и относительную погрешности. Коэффициент надежности был принят 0,95. Для обеспечения достоверности результатов опыты проводились с пяти -шестикратной повторяемостью.
Источник