Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой

В общем объеме строительных работ значительное место занимает фундаментостроение. Возведение подземных частей зданий и сооружений составляет 5−4-1.5% и более их стоимости в целом. При этом важно то, что качество устройства фундаментов в первую очередь определяет надежность и долговечность надфундаментных сооружений и конструкций.

Значительную и все возрастающую долю в общем объеме фундамен-тостроения занимают свайные фундаменты, особенно в связи с появлением в последние десятилетия новых прогрессивных технологий по изготовлению буронабивных свай. Ясно, что внедрение в практику новых методов расчетов таких фундаментов позволит проектировать их более экономично и, что самое главное, более надежно.

Свайные фундаменты давно и широко применяются в мостовом, портовом и гидротехническом строительствах. В других областях строительства широкое их использование началось лишь с 60-х годов ХХ-го века ввиду увеличения этажности зданий и роста нагрузок на фундаментымассового строительства крупнопанельных домов с небольшими допускаемыми осадками фундаментовстроительства на площадках с высоким уровнем грунтовых водтребований индустриальностиснижения трудоемкости и сокращения сроков строительства, с одной стороны, и создания экономичных конструкций свай, производительных механизмов для их погружения и устройств — с другой стороны. Объем применения свай в промышленном, гражданском, энергетическом, транспортном и сельскохозяйственном строительствах интенсивно нарастает с каждым годом и продолжает расти в последнее время.

Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 6.

Вследствие сложности и многообразия природных явлений в механике грунтов, являющейся теоретической базой фундаментостроения, при разработке расчетных методов приходится прибегать к схематизации рассматриваемых явлений. Весьма существенным при этом является положение о том, что использование того или иного метода расчета должно соответствовать области его применимости, определяемой основными предпосылками и допущениями этого метода.

Важнейшей задачей проектирования свайных фундаментов крупных промышленных и гражданских сооружений является прогноз их осадок и несущей способности.

В области установления несущей способности свай достигнут определенный успех. Нормативные документы по расчету свайных фундаментов [74,87] разработаны на основе богатого опыта применения их в промышленном и гражданском строительстве. Несущая способность свай при действии осевых нагрузок определяется по двухчленной формуле, учитывающей лобовые сопротивления грунта под нижним концом и трение по боковой поверхности свай. При этом приведенные расчетные сопротивления грунтов определены в результате статистической обработки большого экспериментального материала, полученного при испытаниях, в основном, забивных железобетонных свай. Поэтому расчеты по [87] обычно дают хорошие результаты, особенно при возможности их корректировки на основе полевых испытаний натурными и инвентарными сваями. Из теоретических методов, базирующихся на теории предельного равновесия, наиболее широко известны методы В. Г. Березанцева, Г. Керизеля и, особенно, К. Тер-цаги [91].

При проектировании свайных фундаментов требуется определять не только несущую способность свайного фундамента, но и эксплуатацион.

Disjn Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 7 ную пригодность выбранного проектного решения по критерию недопустимости предельных осадок сооружения. Согласно действующим нормам [87] эта пригодность оценивается расчетным сопротивлением грунта основания условного фундамента в соответствии с требованиями СниП2.02.01−83 [86], определяемого по модели линейно-деформируемой среды.

Расчет осадок малонагруженных ленточных свайных фундаментов и одиночных свай по рекомендации [87] допускается выполнять по схеме, также базирующейся на модели линейно-деформируемой среды. Однако, в общем случае, инженеру-проектировщику необходимо уметь прогнозировать осадки свай во всем диапазоне действующих нагрузок, вплоть до потери их несущей способности. Подобное направление получило развитие в работах [36, 39,42, 99, 102] .

Как хорошо известно из опытов, типичная зависимость осадки свайного фундамента или одиночной сваи от вертикальной нагрузки на них характеризуется графиком, который представляет собой кривую, состоящую из двух участков: первого — с пологим, второго — с крутым очертанием. Анализ характера этого графика позволяет дать характеристику каждого из этих участков. На первом из них осадка близка к прямопропорциональной зависимости от нагрузки и для ее определения может быть использован принцип линейной деформируемости. Именно для этого участка применимы рекомендации норм [87]. Прогноз осадок свай на этом участке производится на основе решений теории упругости в тех или иных предположениях. Определенный интерес в этом направлении представляют решения Х. Поулоса и Е. Девиса [118], Х. Поулоса и Н. Маттеса, полученные на основе теории линейно-деформируемого полупространства.

Появление второго участка связывается с началом проскальзывания сваи относительно окружающего ее грунта, т. е. нарушения контактной.

Dis bi Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 8 прочности (возникновения локальной зоны предельного равновесия, пластических деформаций, сдвигов).

Здесь усматривается аналогия с осадкой штампа от давления, передаваемого на основание. В ходе развития проскальзывания интенсивность нарастания осадок повышается и отклонение зависимости «нагрузка-осадка» от линейной обнаруживается все в большей степени. Работа нижнего торца сваи в этот период, как правило, еще характеризуется линейным (или квазилинейным) графиком осадок. При дальнейшем возрастании нагрузки происходит развитие областей предельного состояния под острием сваи, причем интенсивность этого развития существенно увеличивается уже после полного проскальзывания. Все это сопровождается нарастающей нелинейностью и, в конце концов, заканчивается развитием значительных (провальных) осадок после исчерпания несущей способности нижнего конца сваи.

Для описания этого весьма сложного механизма работы сваи под нагрузкой широкие возможности имеют методы классической механики сплошной среды с использованием новейших достижений в области нелинейной механики грунтов и численных способов расчета. Отмечая ведущую роль отечественных ученых в развитии науки о грунтах, следует назвать В. Г. Березанцева [8], С. С. Вялова [17], Н. М. Герсеванова, М. Н. Гольдштейна [20], М.И.Горбунова-Посадова [21], Б. И. Далматова [23], Ю. К. Зарецкого [35], Н. Н. Маслова [63], В. Н. Николаевского [64], Н. П. Пузыревского, В. В. Соколовского [85], В. А. Флорина [104], Н. А. Цытовича [108], И. В. Яропольского [111] и др. Среди зарубежных специалистов, работы которых сыграли важную роль в развитии геотехники, следует назвать Ш. Кулона, Ж. Буссинеска, А. Бишопа, Д. Друккера, В. Прагера, М. Харра [105], А. Скемптона, Л. Шукле [110], Д. Тейлора, К. Терцаги [91] и др.

А" Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 9.

С развитием вычислительной техники одним из эффективных численных методов при решении задач геомеханики стал метод конечных элементов. Теоретические основы этого метода изложены в трудах О. Зенкевича [124], К. Бате и Е. Вилсона [3], Дж. Коннора и К. Бреббия [53], К. Бреббия и С. Уокера [10], Дж. Одена [66], Л. Сегерлинда [77] и др. Нелинейная механика грунтов нашла отражение в решениях различных задач, выполненных А. К. Бугровым, А. Л. Гольдиным, Ю. К. Зарецким, В. И. Соломиным, С. Б. Уховым, А. Б. Фадеевым, В. Г. Федоровским и др.

Следует, однако, отметить, что чем сложнее математическая модель среды, тем большее количество параметров (к сожалению, определяемых пока в механике грунтов с низкой доверительной вероятностью) она включает, и тем больше вероятность ошибки при прогнозе деформаций.

Так, например, модель грунта, предложенная Ю. К. Зарецким, даже в самом простейшем варианте содержит более 10 характеристик грунтов. Но даже в простом варианте, используемом А. Б. Фадеевым, когда количество параметров грунтов не превышает четырех традиционных механических характеристик (Е, V, (р, с), задача о взаимодействии погруженной в грунт сваи с основанием осложняется отсутствием описания предшествующего этому процесса погружения забивной (или вдавливаемой) сваи и связанного с ним существенного изменения состояния окружающего ее грунта.

Впрочем, первая попытка описания процесса погружения вдавливаемой сваи уже сделана. Так, например, в диссертации В. Н. Парамонова [67] выполнено численное моделирование погружения сваи в идеально связный грунт с идеально упругопластическими свойствами. Задача решалась в осесимметричной постановке в два этапа. На первом этапе моделировалось природное напряженное состояние с шаровым тензором напряжений (как в жидкости!) приложением к узлам конечноэлементной сетки объемных сил.

Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой ю от собственного веса грунта. На втором этапе узлам, находящимся на поверхности в пределах радиуса сваи, задавались вертикальные перемещения с шагом 1.0 мм. Трение грунта о сваю не учитывалось, т. е. предполагалось абсолютное проскальзывание сваи по грунту в процессе ее погружения. Как следствие этого, решение задачи контролировалось условием равновесия внешних сил и сил сопротивления по нижнему торцу сваи. Такой контроль соблюдался с расхождением указанных сил до 4%, пока глубина погружения сваи не достигла 6.0 м. При дальнейшем моделировании процесса погружения отмеченное условие равновесия существенно нарушалось и процесс счета прекращался.

Отмечая условность выполненного моделирования, связанную с принятыми допущениями, следует указать на исключительную сложность этой задачи. Но даже при использовании более сложных моделей грунтов и более реальных граничных условиях вряд ли в ближайшее время окажется возможным описание процесса погружения забивной сваи, учитывая реальные геологические условия и многообразие свойств грунтов, проявляющихся во времени и при приложении повышенных нагрузок. В этом отношении роль эмпирических подходов неоценима и не случайно Ю. К. Зарецкий отмечает, что в настоящее время метод определения, например, несущей способности сваи по действующим нормам [87] является наиболее достоверным.

Плодотворные исследования явлений, происходящих в грунтах при погружении в них свай, а также исследования осадок существующих зданий и сооружений на свайном основании выполнили: А. А. Бартоломей [2], Б. В. Бахолдин и др. [4,5,7], С. Я. Боженов и А. А. Бирюков (1937), Н. М. Герсеванов (1932), Б. Г. Гуменский и Г. Ф. Новожилов (1959, 1960), Б. И. Далматов и С. Н. Сотников [24], И. Д. Зиновьева и С. Н. Сотников [37], И. П. Сердюк [79], А. А. Цесарский и И. Н. Коломиец [107] и др., а также.

Dis hi Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 11.

С.Авери и С. Вилсон [113], А. Кумингс и др. [115], Х. Сид и Л. Рис [121] и др.

Наряду с классическими методами расчетов свай, включающих исследование напряженно-деформированного состояния во всем массиве основания, в теории взаимодействия свай с грунтом находят применение контактные модели. Использование этих моделей приводит к более простым расчетным схемам при вполне удовлетворительном совпадении результатов испытаний с расчетами.

Экспериментальную базу для построения контактных моделей составляют результаты исследований балок и плит с грунтом. В такой модели основания исходная информация содержится в зависимости между реактивным давлением на основание и перемещением в точке контакта этой поверхности. Параметром пропорциональности в контактной модели основания служит коэффициент постели, который в зависимости от вида напряженного состояния различают для сжатия или сдвига.

Наибольшую известность получила контактная модель основания, в которой принимается прямая пропорциональность между вертикальным давлением и осадкой. Гипотеза прямой пропорциональности, впервые предложенная русским академиком Н. И. Фуссом (1801), была применена Е. Винклером (1867) и впоследствии Х. Циммерманом (1888) для расчета железнодорожных шпал и известна в литературе как гипотеза коэффициента постели. Подробное изложение этой гипотезы с указанием области ее применений содержится в капитальном труде В. А. Флорина [104].

В контактную модель Винклера в дальнейшем вносили различные уточнения и дополнения. Обзор таких моделей дан, например, в трудах [13,21,73].

Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 12.

Изменениями, вносимыми в модель Ванклера, дополнительно можно учесть: переменную податливость основания, когда в различных его областях под подошвой фундамента залегают грунты, значительно различающиеся по своей сжимаемости [22, 69]- нелинейность графика «осадка-нагрузка» [47, 51,' 83]- потерю контакта конструкции с основанием на отдельных участках [1,52, 82, 92] и даже разгрузочные эффекты [25].

Детальная разработка практических рекомендаций по использованию контактной модели основания для инженерных расчетов, включающая учет различных уточняющих (имеется в виду в модель Винклера) обстоятельств, выполнена, особенного много сделавшего для популяризации и внедрения в расчеты по этому методу, С. Н. Клепиковым [48, 49, 50, 75].

Положительные моменты контактной модели основания приковывали к ней внимание многих авторов [16, 55, 59, 78, 84, 109, 117].

Возвращаясь к вопросу прогнозирования осадок свай можно отметить, что в этом случае предложена, но не реализована на практике, контактная модель с переменным от осадки коэффициентом постели, позволяющая единой кривой описать как деформации сваи, так и ее несущую способность [58]. Однако в этой модели появляются три новых параметра грунта, требующие определения. Причем эти параметры необходимо определять не в лабораторных условиях, а в натуре, что резко снижает ценность этой модели.

В диссертации прогноз нелинейных осадок также осуществляется на основе контактной модели, но на базе только хорошо известных и традиционных характеристик грунтов, что дает возможность использовать предложенные разработки в проектной практике без каких либо осложнений.

5ъ? Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 13.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой главе, основных выводов, списка литературы и приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Широкое применение свайных фундаментов при строительстве промышленных, гражданских, транспортных, гидротехнических и других объектов, а также жилых и общественных зданий обуславливает необходимость расчета таких фундаментов с использованием наиболее общих закономерностей их деформирования под нагрузкой. При этом, часто требуется определить не только несущую способность свайного фундамента, но и эксплуатационную пригодность выбранного проектного решения по критерию недопустимости предельных осадок сооружения. Следовательно, в общем случае инженеру-проектировщику необходимо уметь прогнозировать осадки свай во всем диапазоне действующих нагрузок, вплоть до потери их несущей способности.

Как свидетельствуют все имеющиеся результаты испытаний свай различного типа и способа заглубления (или изготовления) в грунт, графики «нагрузка-осадка» имеют явно выраженный нелинейный характер. Причиной начала нелинейности является проскальзывание сваи относительно грунта с локализацией пластических деформаций у ствола. Это проявляется еще более отчетливее, когда проскальзывание распространится на всю боковую поверхность сваи, после чего происходит существенное развитие областей предельного состояния под ее подошвой с дальнейшим искривлением графика осадок и, в итоге, потерей несущей способности.

Анализ известных аналитических и численных теоретических решений показал следующее. В аналитических решениях искривление графика осадок обеспечивается формальным введением уравнения состояния того или иного вида без учета механизма проскальзывания и влияния нижнего торца сваи. Такой подход, в лучшем случае, может описать только качест.

Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 137 венную картину взаимодействия сваи с однородным основанием. В этом отношении численные методы более предпочтительны, особенно с реализацией простейшего варианта смешанной модели грунта и традиционными для инженеров-проектировщиков геотехническими характеристиками, для объектов массового строительства. При возведении уникальных и дорогостоящих объектов предпочтение следует отдавать решениям с более сложными моделями грунтов и более адекватным описанием действительности.

Процесс погружения забивной сваи сопровождается существенным изменением состояния окружающего массива грунта. Математическое описание этого процесса представляет собой очень сложную теоретическую задачу. Это автоматически отражается на описании не только кривых осадок, но и несущей способности свай. Метод расчета несущей способности сваи, предлагаемый Строительными нормами и правилами, в настоящее время является практически наиболее достоверным.

Предложенный аналитический вариант описания процесса проскальзывания сваи по грунту ее боковой поверхностью качественно подтверждается результатами имеющихся экспериментальных исследований.

Для сваи конечной жесткости основными факторами, определяющими осадку, кроме внешней нагрузки, являются ее длина и жесткость слоя грунта, в который упирается нижний конец сваи. Однако выполненные расчеты показали, что учет продольной жесткости сваи во многих случаях не существенно сказывается на окончательных результатах ее осадки. Для упрощения расчетов, особенно на стадии предварительного проектирования, осадки сваи, обусловленные ее продольной деформируемостью, можно не учитывать.

Dis Jen Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 138.

Осадки сваи в многослойных грунтах существенно зависят от соотношения деформационных и прочностных свойств отдельных слоев и их взаимного расположения.

Для описания формирования сваи, изготовленной по электроимпульсной технологии, вполне допустимо использование как смешанной модели грунта с привязкой к 1-му электроразряду, так и упругой модели грунта, но ориентированной на последний электроразряд. Однако упругая модель является менее предпочтительной, так как она ориентирована на нетрадиционную деформативную характеристику — модуль упругости грунта.

Выполненное сопоставление результатов испытаний с расчетами показало, что в исследуемом диапазоне внешних нагрузок прогнозируемые осадки имеют тот же порядок величины, что и в испытаниях. По крайней мере, их расхождение находится в пределах точности определения механических параметров грунтов и, прежде всего, модуля деформации, а также разброса отдельных испытаний.

Dis kn Взаимодействие сваи с основанием, нагруженной осевой статической нагрузкой 139.