Взаимодействие длинных свай с грунтом в свайном фундаменте

Актуальность темы

Проблема количественной оценки взаимодействия длинных свай в составе свайных фундаментов с водонасыщенным глинистым массивом грунта в настоящее время является актуальной для Вьетнама. Свайные фундаменты играют главную роль в строительства зданий и сооружений во Вьетнаме, особенно в районах распространения слабых водонасы-щенных грунтов большой мощности, достигающие 60 метров и более. Освоение и развитие индустриальных зон в этих районах, инфраструктура которых базируется на строительстве высотных зданий и сооружений повышенной ответственности, являются актуальными задачами экономического развития Вьетнама.

Поэтому разработка и научное обоснование методов строительства на этих территориях являются главными задачами современного фундаменто-строения Вьетнама. В настоящей работе рассматриваются методы количественной оценки взаимодействия длинных свай (30м и более) в составе свайного фундамента, с окружающим массивом грунтов. Они необходимы для научно-обоснованного решения конструкций свайных фундаментов, в том числе для определения диаметра и длины свай, расстояния между ними в зависимости от инженерно-геологических условий строительной площадки.

Несмотря на то, что г. Хошимин является самым большим городом во Вьетнаме, его интенсивное развитие наблюдается с начала 20 века. По данным [91, 92] здания и сооружения в этом городе подразделяются на следующие периоды строительства:

• до 1988 года: в центре города были построены дома высотой до трех этажей, фундаменты которых выполнены из кирпичной кладки и находятся на естественном фунте, и усилены деревянными ростверками и сваями. Некоторые здания высотой от 5 до 10 этажей возведены на железобетонных фундаментах, которые опираются на буронабивных или забивных сваях глубиной до 30 м. Из-за низкого качества строительства.

• в период с 1988 года до настоящего времени характеризуется интенсивным развитием экономики и строительства. Большинство зданий были построены с использованием современных методов строительства и материалов. В этот период возведены 4 и 6 этажные здания на свайном фундаменте из железобетонных и деревянных свай. Некоторые офисные и гостиничные корпусы высотой от 10 до 36 этажей опираются на железобетонные свайные фундаменты из буронабивных свай диаметром 0,8−1,2 м глубиной до 45 м.

Реконструкция городской застройки представляет собой следующие виды:

• средняя жилплощадь составляет 8−1 Ом2 на человека, причем 70% домов представляют собой временными постройками в центре города. Плотность застройки очень высокая. Площадь озеленения и просторных пространств незначительная;

• исторические памятники города располагаются во многих частях города. Их сохранение и реставрация проводятся по отдельному регламенту.

Строительство зданий типа арендных квартир и офисов с повышенным комфортом в настоящее время привлекает большое внимание инвесторов и бизнесменов. В таблице показан темп увеличения проектов строительства гостиниц для туризма и деловых центров в будущем, в различных городах Вьетнама. п.п. Город Существующее количество Темп увеличения за год, проектов %.

1 Ханой 28 8−12.

2 Хошимин 59 8−15.

3 Хайфон 6 10−15.

4 Дананг 2 10−15.

По прогнозу Вьетнамских специалистов в проекте КС 11- 10 [91, 93, 94], количества таких зданий в г. Ханое будет удвоено, в г. Хошимине в 1,8 к 2010 году. В городах строительство высотных зданий для гостиниц и деловых центров быстро развивается по сравнению с другими зданиям. До 2010 в центре города будет построено здания с общей площадью от 7 до 8 миллионов м2, 40% из них является торгово-промышленными зданиями и планируется возведение многоэтажных зданий от 20 до 70 этажей путем сноса ветхих и малоэтажных жилых зданий. В связи с этим возникала необходимость разработки принципиально новых методов освоения этих территорий, покрытых слабыми водона-сыщенными грунтами большой мощности.

Разработка и научное обоснование методов строительства на этих территориях являются главными задачами современного фундаментостроения Вьетнама. В настоящей работе рассматриваются методы количественной оценки взаимодействия длинных свай (30м и более) в составе свайного фундамента с окружающим массивом грунтов, это необходимо для научно-обоснованного решения конструкций свайных фундаментов, в том числе для определения диаметра и длины свай, расстояния между ними в зависимости от инженерно-геологических условий строительной площадки. Цель данной диссертационной работы. Целью настоящей работы является разработка научно обоснованного метода количественной оценки взаимодействия длинной сваи и группы длинных свай с грунтовым массивом в составе свайных фундаментов. Для этого анализируются результаты экспериментальных и теоретических исследований, а также результаты расчетов численного моделирования взаимодействия свай с грунтом в трехмерной постановке. Кроме того, учитывается опыт строительства сооружений на фундаментах из длинных свай во Вьетнаме, в сложных инженерно-геологических условиях г. Хошимина и других районов дельты реки Меконг (по данным архивных материалов).

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие работы:

1. Анализ современного состояния строительства сооружений на слабых водонасыщенных грунтах, в том числе на свайных фундаментах;

2. Анализ результатов инженерно-геологических изысканий территории г. Хошимина, в том числе лабораторных испытаний грунтов;

3. Анализ результатов натурных испытаний длинных свай во Вьетнаме;

4. Выбор параметров расчетной упруго-пластической нелинейной модели грунтов основания;

5. Численное трехмерное моделирование взаимодействия одиночной длинной сваи (30,45,60м) конечной жесткости с окружающим грунтом, в том числе с учетом ростверка;

6. Расчеты и анализ численного моделирования взаимодействия одиночной буронабивной сваи диаметром 1 м и окружающего массива с построением изолиний компонентов напряжений, деформаций, перемещений и зависимостей осадка-нагрузка;

7. Численное трехмерное моделирование взаимодействия группы из 9 свай в свайном фундаменте с окружающим грунтом при различных длинах свай (30,45,60м) и при различных расстояниях между сваями (За, 4,5(1 и 6(1);

8. Разработка принципиально новой геомеханической расчетной модели основания ограниченных размеров, которое взаимодействует с группой свайных фундаментов;

9. Постановка и решение теоретических задач о взаимодействии длинных свай или группы свай с окружающим массивом грунта ограниченных размеров;

10.Составление рекомендаций для использования результатов исследований в инженерной практике.

Научная новизна данной работы заключается в том, что:

1. В трехмерной постановке осуществлено численное моделирование взаимодействия одиночной длинной сваи с окружающим грунтом и ростверком с учетом нелинейных свойств грунтов и конечной жесткости сваи. Показано, что определяющим фактором, влияющим на закономерности взаимодействия сваи с грунтом являются длина сваи, а влияние ростверка при этом незначительно;

2. В трехмерной постановке осуществлено численное моделирование взаимодействия группы из 9 длинных (30,45,60м) свай с грунтом в составе фундамента с низким и высоким ростверком при различных расстояниях между сваями (Зс1, 4,5(1 и 6с1) с учетом конечной жесткости свай и нелинейных свойств деформируемости грунтовпоказано существенное отличие характера взаимодействия свай при высоком и низком ростверке, особенно при развитии осадок превышающих 0,0Ы=10см. Показано также, что при расстояниях между сваями 6с1 взаимное влияние свай практически отсутствует и их график осадка-нагрузка совпадает с таким графиком для одиночной сваи;

3. Предложена принципиально новая геомеханическая модель основания, которая взаимодействует с длинной сваей и свайным фундаментом из длинных свай. Она позволяет дать количественную оценку распределения усилия между острием и боковой поверхностью свай и прогнозировать осадку таких фундаментов;

4. Поставлены и решены ряд задачи о взаимодействии длинных свай с окружающим грунтом, в том числе с учетом изменчивости свойств грунтов вокруг свай;

Практическое значение работы. Полученные в диссертационной работе результаты исследований позволяют:

1. Дать научно-обоснованное решение задач при проектировании и строительстве сооружений на слабых водонасыщенных основаниях с использованием свайных фундаментов;

2. Регулировать количество свай в свайном фундаменте за счет изменения расстояния между сваями, длины и диаметра свай;

3. Обеспечить безопасность эксплуатации зданий и сооружений повышенной ответственности (этажности) при их возведении на свайных фундаментов, в районах распространения слабых грунтов большой мощности.

Реализация работы. Результаты выполненной работы будут использованы в практике научно-исследовательских работ на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов (МГрОиФ) МГСУ, а также автором диссертационной работы в своей научной и педагогической деятельности во Вьетнаме. На защиту выносятся:

1. Результаты расчетов численного трехмерного моделирования взаимодействия одиночной и группы свай большой длины с грунтом в меж-ствайном пространстве и окружающим массивом грунта;

2. Анализ результатов расчетов численного моделирования по пункту 1 с выделением основных и определяющим факторов, влияющих на характер взаимодействия длиной сваи с грунтом и группы длинных свай в составе свайного фундамента с окружающим грунтом;

3. Результаты теоретических решений и исследований взаимодействия длинных свай и группы свай с окружающим массивом грунтом, ограниченных размеров.

Диссертационная работа выполнена на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ в период обучения в аспирантуре в 2002 — 2006 годах под руководством профессора, доктора технических наук З.Г. Тер-Мартиросяна.

Автор искренне благодарит своего научного руководителя, заслуженного деятеля науки РФ, профессора, д.т.н. З.Г. Тер-Мартиросяна за постоянное внимание и большую помощь при выполнении настоящей диссертационной работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций и содержит 163 страниц, в том числе 143 машинописного текста, 68 рисунков, 13 таблицы, список литературы 99 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ На основании выполненных исследований можно сделать следующие основные выводы по диссертации:

1. Инженерно-геологические условия в г. Хошимин, а также в регионе дельты реки Меконг, следует отнести к сложным, обусловленным наличием большой мощности слабых водонасыщенных глинистых и илистых грунтов (с< 20МПа, ф< 10°, 8г>0.9), подстилаемых полутвердыми и твердыми глинами или песками. Интенсивное освоение этих регионов связано со строительством зданий повышенной этажности на свайных фундаментах из буронабивных свай большой длины (до 60м).

2. При взаимодействии свай или группы свай большой длины (более 30м) с окружающим грунтом возникает сложное НДС, которое существенным образом влияет на распределение нагрузки от сооружения между ростверком и группой свай, сваями в свайном фундаменте.

3. Анализ результатов расчета численного моделирования взаимодействия одиночной сваи с окружающим грунтом показали, что:

— Основным и определяющим фактором является большая длина сваи, на боковую поверхность которой приходится основная доля силы, приложенной к свае, так как с ростом длины сваи пропорционально растет и несущая способность сваи.

— Влияние ростверка размером 3×3м при диаметре сваи 1 м на кривой зависимости осадка-нагрузка — несущественно.

— На долю ростверка от общей нагрузки приходится, при длине свай 30 м, 45 м и 60 м соответственно — 28%, 20% и 18% при осадке 0.05с1= 5см- 22%, 21% и 16% при осадке 0.1 с1= 10 см. С увеличением длины и осадки доля нагрузки на ростверк уменьшается существенно, т. е. в два раза.

— Области максимальных горизонтальных перемещений приурочены к нижнему концу сваи и частично к верхнему концу и распространяются на значительное расстояние от поверхности сваи. Так, если ограничиться перемещениями 0.5мм, радиус влияния распространяется до 20−25 метров.

— Вертикальные напряжения и перемещения локализуются вокруг свай, а с увеличением расстояния от поверхности свай и с глубиной — интенсивно затухают.

4. Исследования закономерностей взаимодействия группы из 9 свай большой длины 30, 45 и 60 м в составе свайного фундамента с высоким и низким ростверками, с расстоянием между сваями 3(1- 4.5(1 и 66, позволяют делать следующие основные выводы: а. В случае высокого расположения ростверка:

— Доминирующим фактором, влияющим на характер взаимодействия группы свай с окружающим грунтом, является длина свай;

— С ростом расстояния между сваями от 3(1 до 6(1 взаимное влияние свай исчезает. б. В случае низкого ростверка:

— Взаимодействие свай в свайном фундаменте с низким ростверком отличается существенно от случая фундамента с высоким ростверком;

— С ростом расстояния между сваями и длиной свай при осадке фундамента 0, Ы разница между усилиями на центральную и одиночную сваю уменьшается. Однако с ростом осадки до 0,26, это разница увеличивается;

— Кривые осадка-нагрузка для фундаментов с высоким и низким ростверками в пределах до 0,1(1, практически совпадаютс ростом осадки кривые расходятся существенно, что обусловлено растущим влиянием ростверка;

— Вокруг свайного фундамента возникает область активного вертикального смещения, ограниченная цилиндрической поверхностью и сферической поверхностью под нижним концом свай.

5. Распределение общей нагрузки на свайном фундаменте между ростверком, боковой поверхностью свайно-грунтового массива и его нижним концом аналогично со случаем одиночной сваи с ростверком.

6. На основании предложенной геомеханической модели поставлены и решены задачи для количественной оценки взаимодействия одиночной сваи с однородным слоистым и неоднородным по радиусу грунтом (ослабленная или уплотненная зона). Примеры расчетов по этим решениям дают удовлетворительное совпадение с аналогичными расчетами МКЭ.

7. На основании предложенной геомеханической модели поставлены и решены задачи для количественной оценки взаимодействия свайно-грунтового массива с окружающим массивом грунта при различной форме площади ростверка (круг, прямоугольник) для случаев однородного и двухслойного основания. Сравнение результатов расчетов, выполненные по этой модели и по МКЭ дали, удовлетворительное совпадение.