Обоснование строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах

Содержание

• Определения и пояснения
• Условные обозначения
• глава 1. проблемы при строительстве свайных фундаментов зданий и сооружений в условиях мерзлых засоленных грунтов
  • 1. 1. основные типы сооружений на свайных фундаментах на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей
  • 1. 2. Грунты побережий и шельфовых зон Арктических морей
  • 1. 3. Строительство свайных фундаментов в условиях пластично-мерзлых грунтов
    • 1. 3. 1. Производство сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых грунтов
      • 1. 3. 1. 1. Общие сведения
      • 1. 3. 1. 2. Опьп производства сваебойных работ для устройства фундаментов на пластично-мерзлых грунтах
      • 1. 3. 1. 3. Рекомендации по производству сваебойных работ на основаниях пластично-мерзлых фунтов
      • 1. 3. 1. 4. Методики расчета характеристик процесса погружения свай в пластично-мерзлые фунты
      • 1. 3. 1. 5. Натурные исследования для производства сваебойных работ в основаниях пластично-мерзлых грунтов
    • 1. 3. 2. Расчет свайных оснований в условиях пластично-мерзлых грунтов
  • 1. 4. физические и механические свойства пластично-мерзлых грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов
    • 1. 4. 1. Физические свойства мерзлых грунтов
    • 1. 4. 2. Основные представления о механических характеристиках мерзлых грунтов
    • 1. 4. 2. Изученность предельно-длительных механических характеристик мерзлых засоленных грунтов
    • 1. 4. 3. Изученность условно-мгновенных механическгсх характеристик мерзлых грунтов
  • 1. 5. ПОСГАНОВКА целей
• глава 2. методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые грунты при строительстве свайных фундаментов
  • 2. 1. основные положения метода
  • 2. 2. Методы определения параметров для расчетов свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах
    • 2. 2. 1. Метод вдавливания сферического штампа
    • 2. 2. 2. Метод трехосного сжатия с постоянной скоростью деформирования
• глава 3. свойства пластично-мерзлых грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов
  • 3. 1. Порядок подготовки образцов для испытаний
    • 3. 1. 1. Отбор грунта
    • 3. 1. 2. Подготовка массивов
    • 3. 1. 3. Подготовка цилиндрических образцов
    • 3. 1. 4. Физические свойства образцов
    • 3. 1. 4. 1, Определение основных физических свойств
      • 3. 1. 4. 2. Методика определения температуры начала замерзания
      • 3. 1. 4. 3. Методика определения содержания лсгкорастворимых солей
      • 3. 1. 4. 4. Результаты определения физических свойств грунтов
  • 3. 2. Оборудование для проведения испытаний
    • 3. 2. 1. Характеристика лабораторного оборудования
    • 3. 2. 2. Характеристика сферического штампа
    • 3. 2. 3. Характеристика камеры трехосного сжатия
  • 3. 3. Характеристики и результаты испытаний
    • 3. 3. 1. Вдавливание сферического штампа в массив грунта основания (супесь «Серии 1»)
      • 3. 3. 1. 1. Проведение испытаний
      • 3. 3. 1. 2. Характеристики испытаний
      • 3. 3. 1. 3. Особенности обработки опытных данных для определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления
      • 3. 3. 1. 4. Результаты определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления пластично-мерзлых и охлажденных грунтов
      • 3. 3. 1. 5. Результагы определения зависимости общего модуля деформации от времени пластично-мерзлых и охлажденных грунтов свайных оснований.&bdquo
      • 3. 3. 1. 6. Результаты определения длительных значений механических параметров пластично-мерзлых и охлажденных грунтов свайных оснований
    • 3. 3. 2. Вдавливание сферического штампа в цилиндрические образцы грунтов оснований (супесь и суглинок «Серии 3»)
      • 3. 3. 2. 1. Проведение, характеристики испытаний
      • 3. 3. 2. 2. Результаты определения условно-мгновенного эквивалентного сцепления пластично-мерзлых грунтов оснований
      • 3. 3. 2. 3. Результаты определения зависимости общего модуля деформации от времени пластично-мерзлых грунтов оснований
      • 3. 3. 2. 4. Результаты определения длительных значений механических параметров пластично-мерзлых грунтов оснований
    • 3. 3. 3. Анализ результатов, полученных методом вдавливания сферического штампа в пластично-мерзлые и охлажденные грунты оснований
    • 3. 3. 4. Трехосное сжатие образгов пластично-мерзлых грунтов свайных оснований
      • 3. 3. 3. 1. Проведение испытаний
      • 3. 3. 3. 2. Результаты трехосного сжатия образцов пластично-мерзлых грунтов свайных оснований
      • 3. 3. 3. 3. Анализ результатов, полученных методом трехосного сжатия
• глава 4. определение усилий вдавливания свай при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых грунтах
  • 4. 1. Влияние скорости внедрения сваи на усилие вдавливания в пластично-мерзлых грунтах оснований
  • 4. 2. Влияние геометрических размеров сваи на усилие вдавливания при строительстве свайных фундаментов
  • 4. 3. Влияние изменчивости механических характеристик грунтов в диапазоне температур начала замерзания на усилие вдавливания свай при строительстве свайных фундаментов
• выводы
• Список литературы
• Приложение I Приложение 2

Актуальность исследований. С каждым днем Арктика занимает все большее место в жизни человечества. С арктическими территориями связано много* надежд — это попытки понять явления глобального потепления, разработать обширные месторождения полезных ископаемых, шире использовать транспортные коридоры.

Для решения этих задач требуется строительство и реконструкция различных сооружений, в том числе гидротехнических, на побережьях и шельфовых зонах Арктических морей, которые характеризуются сплошным распространением отрицательно температурных засоленных осадочных толщ. Прибрежные зоны, как правило, сложены грунтами в пластично-мерзлом и даже охлажденном состоянии (Аксенов, 2008). При строительстве сооружений в Арктике широко применяются сваи. Для обоснования строительства свайных фундаментов в условиях мерзлых засоленных грунтов требуется эффективное производство сваебойных работ и правильная оценка несущей способности грунтов оснований.

Опыт сваебойных работ на территории России, США и Канады свидетельствует о принципиальной возможности устройства свайных фундаментов способом забивки в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов (Цытович, 1973- Weaver, 1979- Гончаров, Таргулян, 1980- Сгогу, 1982- Nottingham, 1983). Забивка может быть реализована с помощью метода погружения свай вдавливанием. Однако в литературе практически отсутствуют теоретические разработки и количественные характеристики процесса погружения свай в мерзлые грунты, поэтому требуется разработка методики для расчета процесса погружения свай.

Известно (Цытович, 1973), что сваи, погруженные способом забивки в пластично-мерзлый грунт обладают повышенной несущей способностью по сравнению с несущей способностью, рассчитанной по нормативным документам для этого же вида грунта. Однако, до настоящего времени, как в отечественной, так в зарубежной литературе, отсутствует банк данных, позволяющий назначить расчетные характеристики грунтов при температуре, близкой к началу замерзания грунтовой влаги. Так в СНиП 2.02.04−88 сопротивление сдвигу по поверхности смерзания приведено для отрицательной температуры ниже -0,3°С. Остается проблемным вопрос о назначении расчетных прочностных характеристик при более высокой температуре.

Проблемы производства сваебойных работ и определения несущей способности свай в условиях мерзлых засоленных грунтов определяют актуальность цели диссертации, которой являлось обоснование строительства свайных фундаментов, в том числе морских гидротехнических сооружений, в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, для этого требовалось:

1) создание методики определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, экспериментальное определение параметров для расчетов-

2) экспериментальное определение физико-механических характеристик мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений, необходимых для расчетов несущей способности свайных фундаментов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных методов подбора оборудования для погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Выполнить анализ достаточности информации о свойствах грунтов для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Разработать и обосновать методику определения сопротивления грунта при погружении свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, обосновать параметры, необходимые для расчетной методики.

4. Разработать программу экспериментальных исследований для получения недостающих физико-механических параметров грунтов.

5. Осуществить экспериментальные и теоретические исследования грунтов и установить требуемые для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах физико-механические характеристики.

6. Произвести, расчеты оснований в соответствии с предложенной методикой и выявить основные факторы, влияющие на процесс погружения свай при строительстве фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

7. Для расчета несущей способности оснований на основе экспериментальных данных получить длительные значения деформационно-прочностных характеристик пластично-мерзлых и охлажденных грунтов. Научная новизна работы

1. Предложено обоснование строительства свайных фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах на основе методики расчета усилий при погружении свай и данных для оценки несущей способности грунтов.

2. Впервые определено существенное влияние скорости погружения на усилие вдавливания сваи в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах, и даны рекомендации по оптимизации технологии задавливания свай при строительстве фундаментов.

3. Для обоснованрш и оптимизации производства работ при строительстве свайных фундаментов впервые на оригинальном оборудовании проведены исследования пластично-мерзлых и охлажденных грунтов в условиях трехосного сжатия с высокой скоростью деформирования.

4. На уникальном оборудовании проведены исследования мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений методом вдавливания шарикового штампа.

5. Исследована несущая способность оснований, представленных пластично-мерзлыми и охлажденными грунтами в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей.

Достоверность результатов расчетов усилий для- погружения свай вдавливанием обеспечивается использованием стандартного приема сложения динамического лобового сопротивления свай и сопротивления трению — по боковой поверхности. При этом предполагается, что лобовое сопротивление оказывает мерзлый грунт, а боковое происходит по талому грунту. При определении динамического лобового сопротивления использовались стандартные методики и формула СНиП 2.02.04−88. Определение свойств грунтов, необходимых для расчета несущей способности свай проведено по стандартизированным методикам, рекомендованным СНиП 2.02.04−88 и изложенным в ГОСТ и ГОСТ 1 224 896. Полученные результаты обработки опытов не противоречат интерполяции известных значений в исследованную область температур и засоленностей.

Практическая значимость работы

1. Для обоснования строительства свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах разработана методика расчета погружения свай методом вдавливания.

2. Для предложенной методики получены расчетные характеристики мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

3. Проведенные исследования трехосного сжатия позволяют оптимизировать производство сваебойных работ и создают основу для разработки математической модели деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

4. Для обоснования возведения свайных фундаментов расширена область оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых засоленных грунтов в ранее слабо изученном диапазоне температур и засоленностей по сравнению со СНиП 2.02.04−88 и Рекомендациями

ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Личный вклад автора

1. Впервые проведен сбор, детальный анализ и обобщение основных российских и зарубежных литературных данных и авторских рекомендаций о производстве сваебойных работ в условиях пластично-мерзлых и охлажденных грунтов и систематизация механических свойств мерзлых грунтов в области значительных фазовых превращений.

2. Автором лично разработана методика определения усилий для вдавливания свай в пластично-мерзлые и охлажденные грунты, выявлены параметры грунтов, необходимые для обоснования строительства свайных фундаментов.

3. В ходе выполнения диссертационной работы автор усовершенствовал методики подготовки и испытаний образцов с использованием оригинального оборудования, получил требуемые деформационно-прочностные параметры пластично-мерзлых и охлажденных грунтов.

4. Автором сформулированы и обоснованы предложения по оптимизации процесса погружения свай для строительства фундаментов на пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

Апробация работы

Основные защищаемые положения диссертации апробированы на XXXVI, XXXVII, XXXVIII Неделях науки СПбГПУ: Материалы Всероссийских межвузовских научно-технических конференций студентов и аспирантов, г. Санкт-Петербург (2007, 2008, 2009), тезисы докладов отмечены дипломами конференций- на 9-ой Международной конференции и выставке по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ RAO/CIS Offshore 2009 г. Санкт-Петербург (2009) статья доклада «Исследования механических характеристик мерзлых грунтов побережий Арктических морей» отмечена дипломом конференции- на 5-ой Норвежско-российской арктической шельфовой конференции «Совместные исследования и инновации для нефтегазовой промышленности в Арктике», г. Мурманск (2010).

Основные результаты-диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в трех по перечню ВАК.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех-глав, выводов, двух

приложений и списка литературы, содержащего Г12 наименований. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков, 24 таблицы и 24 формулы.

Защищаемые положения:

1. Методика определения усилий для вдавливания свай при строительстве фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

2. Обоснование факторов, влияющих на сопротивление грунта, напряжения в свае и мощность сваебойного оборудования при строительстве свайных фундаментов в пластично-мерзлых и охлажденных грунтах.

3. Экспериментальные данные для оценки деформационно-прочностных свойств мерзлых грунтов и их математического моделирования в области значительных фазовых превращений, требуемые в предложенной методике.

4. Оценка длительных деформационно-прочностных ' свойств, необходимых для определения несущей способности оснований, сложенных пластично-мерзлыми и охлажденных грунтами, в диапазонах температур и засоленностей, не охваченных СНиП 2.02.04−88 и Рекомендациями

ФГУП ПНИИИС, 2001 г.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору кафедры «Гидротехническое строительство» инженерно-строительного факультета СПбГПУ Карлу Натановичу Шхинеку за руководство и помощь в выполнении данной работы- доктору, профессору морских Арктических технологий NTNU/UNIS Свейнунгу Лосету- зав. лаб. «Инженерная геология» ВНИИГ им. Веденеева, к.г.-м.н. Н.Ф. Кривоноговой- д.ф.-м.н., профессору UNIS/NTNU A.B. Марченко, д.т.н., профессору в области механики льда и морских технологий NTNU К. Хойланду- д.т.н., профессору СПбГПУ A.JI.

Гольдину- профессору NTNU JI.O. Гранде- заведующей библиотекой UNIS Берит Якобсен, магистру СПбГПУ М. Юровой за неоценимые советы и поддержку в период работы над диссертацией. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры «Гидротехническое строительство» и кафедры «Основания и фундаменты, подземные сооружения» Инженерно-строительного факультета СПбГПУ, всем сотрудникам UNIS за внимание к работе и критические замечания.

Определения и пояснения

Больверк — тонкая подпорная стенка-

Длительная прочность — прочность, снижающаяся во времени от мгновенного до предельно-длительного значения, при длительном воздействии нагрузок-

Кривая ползучести — зависимость прочности от времени-

Мерзлый грунт — грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своем составе лед-

МГТС — морские гидротехнические сооружения-

ММП — многолетнемерзлые породы-

Область значительных фазовых превращений — область отрицательной температуры, изменение количества незамерзшей воды Ww в которой на 1 °C составляет 1% и более (по отношению к весу высушенного грунта) — Охлажденный грунт — грунт, имеющий относительную температуру в диапазоне 1−1,33-

Пластично-мерзлый грунт — грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью, и имеющий относительную температуру в диапазоне 1,33 — 1,5-

Ползучесть — процесс развития деформаций во времени даже при постоянной нагрузке-

Релаксация — снижение напряжения в грунте до величины, необходимой для поддержания постоянной деформации-

Реологическая кривая — зависимость скорости деформации от напряжения- CMC — сезонномерзлый слой-

Условные обозначения, а — радиус сваи-

А — площадь опирания сваи на грунт-

4г/, г — площадь поверхности смерзания /-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи- С — сцепление- с {t) — эквивалентное сцепление за период времени t- ceq (, mt) ~ условно-мгновенное эквивалентное сцепление- с (св) — предельно-длительное эквивалентное сцепление-

D — диаметр сферического штампа- Е — модуль деформации-

Edm — полезная работа снаряда при погружении сваи на любую глубину- Egr — работа сил сопротивления грунта внедрению сваи- Еы — общий модуль деформации- F — площадь поперечного сечения сваи- Fu — несущая способность основания- fDl — динамическое удельное сопротивление по боковой поверхности для г'-го слоя- h — глубина заложения подошвы фундамента- к — коэффициент, учитывающий комплексное влияние факторов (различие молотов, несовершенство определения характеристик грунта и др.) — /, — глубина /-го слоя. nt — число ударов молота для пробивки /-го слоя грунта- Nj— число ударов, необходимое для пробивки разнородных слоев грунта- Ршт — усилие, необходимое для погружения сваи на заданную глубину /- Pi — динамическое сопротивление /-го слоя грунта-

Pti — динамическое лобовое сопротивление для /-го слоя- Psi — сопротивление по боковой поверхности для /-го слоя- Р — постоянная нагрузка на сферический штамп- R — расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи- RDi — динамическое удельное лобовое сопротивление для i-ro слоя- г — расстояние по радиусу от центра скважины- S, — осадка штампа за период времени t — t — время-

U — заданное перемещение на внутренней поверхности скважины- и — периметр сваи-

Wtot — суммарная влажность мерзлого грунта- скорость деформирования- - удельный вес грунта- v — коэффициент Пуассона- в— температура грунта- вь/ - температура начала замерзания грунта- в I вbf — относительная температура грунта- а — напряжение в свае от статической нагрузки- та11 — допускаемое напряжение в свае при статическом воздействии- ап — нормальное напряжение- tgc> — коэффициент внутреннего трения- р — угол внутреннего трения-