МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ВИННИЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Эль Асади Фади

УДК 624.154

Исследование сопротивления вертикальным

нагрузкам бипирамидальных свай

Специальность 8.0921 - «Строительство».

Диссертация на соискание ученой степени

магистра

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор Друкованый М.Ф.

Винница - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление ...................................................................................

Раздел 1. Аналитический обзор состояния вопроса .....................

1.1. Применение коротких свай в промышленном и

гражданском строительстве ...........................................

1.2. Методы расчета сопротивления коротких

забивных свай ................................................................

1.3. Применения численных методов расчета свай

и свайных фундаментов ..................................................

Задачи исследований ............................................................

Раздел 2. Применение МГЭ в расчетах сопротивления

бипирамидальных свай .....................................................

2.1. Общий алгоритм определения сопротивления

бипирамидальных свай вертикальным нагрузкам с

использованием МГЭ ......................................................

2.2. Расчет бипирамидальных свай на ЭВМ ..........................

2.2.1. Структура программы .........................................

2.2.2. Дискретизация поверхности сваи .......................

2.2.3. Формирование матрицы коэффициентов

влияния и свободных коэффициентов СЛАУ ...

2.2.4. Определение напряжений на поверхности

сваи ......................................................................

2.2.5. Определение общего сопротивления сваи ........

Раздел 3. Результаты теоретических исследований

сопротивления бипирамидальных свай ..........................

Общие выводы ..............................................................................

Список использованной литературы ..............................................

Приложение А…………………………………………………………….

Приложение Б……………………………………………………………..

Вступление

В промышленном и гражданском строительстве широко применяются фундаменты мелкого заложения, которые устраиваются на грунтах природной структуры. Вместе с тем, на основании сравнения технико-экономических показателей вариантов фундаментов мелкого заложения и фундаментов из коротких свай призматической формы выявлено, что свайные фундаменты экономичнее, если глубина заложения фундаментов на естественном основании больше 1,7 ... 2,0 м. В связи с этим, забивные сваи нашли широкое применение в жилищном строительстве. При возведении жилых зданий в большинстве областных центров Украины применение забивных свай составляет 80%, а фундаментов мелкого заложения 20%. Однако, сваи призматической формы при взаимодействии боковой поверхностью с окружающим грунтом, передают незначительные нагрузки. Силы трения мобилизуются не в полной мере, так как при забивке свай, в её верхней части, имеются зазоры на контакте боковой поверхности с грунтом. Кроме того, поверхность сваи не имеет угла наклона к вертикали, т. е. нет условий для формирования нормальной составляющей усилия, действующего на сваю.

Как показывает опыт применения пирамидальных свай, конструкции разработанной в Одесском инженерно-строительном институте, их эффективность выше призматических, за счет устранения зазора на контакте и создания нормальных сил при наклоне граней боковой поверхности к вертикали 7 - 11%.

Пирамидальные сваи имеют эффективное применение при возведении гражданских зданий и жилых домов, высотой до 5-и этажей, а также при возведении сельскохозяйственных объектов. Удельное сопротивление пирамидальных свай (т. е. отношение нагрузки к объему погруженной части сваи) в 2 ... 3 раза выше чем призматических свай.

Опыт применения призматических свай с забивными оголовками позволил выяснить, что несущая способность такой сваи возрастает не только за счет увеличения площади (забивного оголовка), но изменятся и условия работы грунта, примыкающего к боковой поверхности сваи, силы трения реализуются больше.

В этом направлении развития эффективной сваи выполнены начальные исследования, на основании которых разработана конструкция бипирамидальной сваи. Удельное сопротивление бипирамидальных свай в 2,0 ... 2,5 раза больше пирамидальных свай и в 4,0 ... 5,0 раз больше сопротивления призматических свай. Однако, широкое внедрение бипирамидальных свай в строительство сдерживается из-за отсутствия надежных методов расчета. В настоящее время, действительную работу свай и их оснований возможно решить путем использования усложненных расчетных схем взаимодействия системы "свая-основание". Для этого как правило используют современные численные методы: метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ).

Раздел 1. Аналитический обзор состояния вопроса

1.1. Применение коротких свай в промышленном и гражданском строительстве

В настоящее время в промышленном и гражданском строительстве находят применение свайные фундаменты из свай призматической, пирамидальной формы, а также сваи с забивными оголовками в верхней части.

Исследования с помощью различных методик, совместной работы свай призматической и цилиндрической формы с основаниями, позволили выявить характерные особенности их взаимодействия с основанием.

Наиболее важными факторами, которые оказывают существенное влияние на общее сопротивление по боковой поверхности свай вертикальным нагрузкам является снижение сопротивления по боковой поверхности сваи вследствие образования зазора между верхней частью сваи и грунтом и особенностей взаимодействия острия сваи с уплотненным грунтом. И хотя приведенные выше исследования имели конечный целью разработку расчетной модели сваи с учетом основных факторов, влияющих на несущую способность свай, их результаты могут быть положены в основу для совершенствования конструкции висячие сваи. Наиболее целесообразным направлением при этом будет иметь выбор такой формы сваи, которая способствовала бы устранению факторов, снижающих несущую способность сваи.

Как показывает дальнейший анализ, в настоящее время, фундаментами, которые в той или иной мере отвечают приведенным выше условиям являются:

- пирамидальные сваи, при погружении которых не возникает зазор вдоль боковых граней;

- сваи с забивными оголовками, которые также позволяют устранить возможность появления зазора вдоль боковой поверхности сваи и увеличить сопротивление сваи по боковой поверхности за счет взаимодействия оголовка сваи.

Исследования явлений, возникающих в грунте при забивке и осадке под нагрузкой коротких свай призматической и пирамидальной формы, позволили изучить факторы, которые отрицательно влияют на показатель совместной работы сваи и основания.

Эти факторы в основном имеют место в верхней части сваи и указывают на то, что в этой области возможности сопротивления грунта используются не полностью из-за конструктивных особенностей и состояния грунта.

Вышеуказанные недостатки можно попытаться устранить использовав такую конструкцию сваи, в которой грунт в верхней части в достаточной степени уплотнялся и участвовал в работе при загружении. В связи с этим, представляет интерес опыт применения и исследования работы свай с забивными уширениями в виде опорного кольца, шайбы, плиты, насадки, а также сваи с уширениями по стволу и вблизи острия.

Гнатенко-Гонта С.П. [1] отмечает, что применение забивной сваи с уширением позволяет производить уплотнение того или иного слоя грунта и может быть эффективно использовано для устранения просадочных свойств отдельных слоев грунта. При этом установлено, что в грунтах естественной влажности несущая способность сваи с утолщением в 1,8 - 2,2 раза больше чем у призматических. При замачивании основания осадки свай с местным уширением меньше чем призматических свай без утолщения.

Весьма полезным при строительстве опор моста оказалось применение утолщения по стволу призматической сваи (Коломийцев В.В.) с целью увеличения несущей способности за счет передачи нагрузки на более плотную прослойку грунта. Устройство уширения позволило увеличить несущую способность сваи на 30%. Автор отмечает, что для улучшения работы свай на горизонтальную нагрузку ниже уширения сваи предусмотрена рабочая часть сваи длиной 1,5 м.

Луга А.А. [2] отмечает, что в слабых илисто-глинистых грунтах, при большой толще этого слоя рационально применение свай с уширенной пятой с целью сокращения затрат времени на погружение, по сравнению с обычными длинными сваями и экономии материалов.

Исследования несущей способности сваи с забивной пятой, в значительном объеме, выполнены Колоколовым Н.М., Луга А.А., Платоновым Н.М., Рыбчинским В.П. [3]. Несущая способность свай, которые имели различную конструкцию уширения, вблизи острия, определялась в полевых условиях на основании 22 испытаний статической нагрузкой.

По результату опытов установлено, что сваи с уширенной пятой, при глубине погружения 7,5 м. и 9,2 м. обладают несущей способностью в 1,5 - 2.5 раза большей чем сваи без уширения. Наибольшее сопротивление вертикальной нагрузке (Р = 230 т) оказала железобетонная свая-оболочка диаметром 60 см. и диаметром забивной пяты 120 см., при опирании пяты на супесь полутвердой консистенции. В данном случае форма нижней части сваи, при значительных размерах поперечного сечения пяты позволила осуществить погружение сваи до глубины 9,2 м., что в известной степени связано с рациональным сочетанием размеров пяты конической формы и цилиндрического элемента с острием, которой находится ниже пяты сваи. Кроме того, это способствовало повышению несущей способности сваи.

Вместе с тем, при разработке уширений по стволу сваи и вблизи острия, вопрос выбора оптимальных соотношений размеров сваи и уширения, с точки зрения погружения сваи и ее работы под нагрузкой остается мало изученным.

Опыт применения призматических свай с забивными уширениями в верхней части ствола сваи (Платонов Ю.Н. [4]) показывает, что данная конструкция фундаментов дает наиболее экономичные решения при залегании однородных и прослойки плотных грунтов с дневной поверхности.

Наибольшее распространение получили сваи с забивными оголовками в жилищном строительстве при возведении пяти и девяти этажных домов [5], [6]. Платонов Ю.Н. [7] по результатам многочисленных полевых опытов, установил, что несущая способность свай с забивными оголовками в 2 - 3 раза больше чем несущая способность обычной призматической сваи равной длины. При этом, сваи с забивными оголовками менее материалоемки по сравнению с призматическими сваями, по расходу арматуры в 2 раза, по расходу бетона в 2 -3 раза. Сравнительные испытания призматической сваи и сваи с забивным оголовком в лессовидных грунтах I типа позволили установить, что несущая способность сваи с уширением в верхней части увеличивается в 3,0 - 3,5 раза [6].

Свая с шайбой может применяться при строительстве подвесных дорог, путепроводов, опор линий электропередач или контактных сетей электрифицированных дорог и в качестве анкерного крепления береговых опор мостов. При работе свай с шайбой на горизонтальную нагрузку используется отпор уплотненного грунта и сопротивление сваи при этом в четыре раза больше, чем несущая способность обычной сваи (Грутман М.С. [8]).

Значительное повышение сопротивления свай с забивными оголовками объясняется тем, что при погружении забивного оголовка устраняется зазор, образовавшийся при забивке призматической сваи, грунт в верхней части дополнительно уплотняется, повышаются его прочностные характеристики. При загружении сваи с забивным оголовком изменяются условия распределения внешней нагрузки по сравнению с призматическими и пирамидальными сваями.

Исследования несущей способности сваи с забивными оголовками позволили выявить характер распределения усилий между конструктивными элементами при совместном испытании, а также каждого отдельного элемента в тех же грунтовых условиях.

По опытным данным Тарасова М.В. и др. [6], Грутмана М.С. и др. [9] несущая способность забивного уширения составляет 70 - 65% от общего сопротивления комплексной конструкции "свая + оголовок".

Нагрузка, которую воспринимает призматическая свая при совместном испытании сваи и оголовка на 10 - 15% больше, чем несущая способность отдельно испытанной сваи. Раздельное снятие нагрузок при совместном испытании сваи и оголовка, показывает, что увеличение несущей способности комплексной конструкции происходит не только за счет увеличения опорной площадки оголовка и повышения прочностных характеристик грунта. Грутман М.С. [8] полагает, что передача части нагрузки на грунт посредством шайбы способствует повышению несущей способности самой сваи.

Березанцев В.Г. отмечает, что вследствии увеличения напряжений в грунте под подошвой оголовка наблюдается повышение сил трения между сваей и грунтом.

Испытания статической нагрузкой оголовка, размещенного в выкопанном котловане и погруженного на заданную отметку [9] показали, что несущая способность оголовка повышается за счет уплотнения грунта. Грутман М.С., Циприанович И.В., Шнигель И.Д. [8] отмечают, что работа сваи с забивным уширением в верхней части качественно отличается от работы свай с низким ростверком, который не может воспринять существенной доли нагрузки, действующей на фундамент так как разница в деформативности грунта вокруг ростверка и вокруг оголовка сваи весьма существенна.