Новиков Юрий Александрович. Исследование работы песчаных армированных по контуру свай в слабых глинистых основаниях под ленточными фундаментами

brief description

Новиков Юрий Александрович. Исследование работы песчаных армированных по контуру свай в слабых глинистых основаниях под ленточными фундаментами: диссертация ... кандидата технических наук: 05.23.02 / Новиков Юрий Александрович;[Место защиты: Тюменский государственный архитектурно-строительный университет].- Тюмень, 2015.- 140 с.

Министерство образования и науки Российской Федсраиии
Федерат ьлое гос> даре i вен нос бюджетное образовательное учреждение
высшею профессионального образования
Гюменски й госу даре i венный архи i ек г> рпо-ст рои i е тлили } ниверси i е i
la правах рукописи
НОВИКОВ Юрий Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПЕСЧАНЫХ АРМИРОВАННЫХ ПО
R'oimpy СВАЙ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЯХ под
ЛЕНТОЧНЫМ И ФУНДАМ EUТАМ И
05.23.02 - Основания и ф} н UIMCII I Ы, по пемные сооружении
ДИССТР! АЦИЯ
па соискание ученой степени
кандидата технических на к
Научный р ководи 1ель
к т.п . доцен! Набоков Алексан ip Валерьевич
тх
Тюмень 20! 5
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ. ЦЕЛЬ И
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.1. Свайные фундаменты 13
1.2. Искусственно улучшенные основания 16
1.3. Усиление слабых оснований песчаными сваями 19
1.4. Армирование оснований. Применение современных геосинтетических
материалов 24
1.5. Методы расчета армированных оснований 28
1.6. Выводы по главе 1 31
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО
ПЕСЧАНЫМИ АРМИРОВАННЫМИ ПО КОНТУРУ СВАЯМИ В
ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ 33
2.1. Цели и задачи экспериментальных исследований в лабораторных
условиях 33
2.2. Грунтовые модели 34
2.3. Приборы и оборудование 41
2.4. Результаты лабораторных исследований 45
2.5. Математическая обработка результатов экспериментальных
исследований в лабораторных условиях 50
2.6. Выводы по главе 2 52
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО
ПЕСЧАНЫМИ АРМИРОВАННЫМИ ПО КОНТУРУ СВАЯМИ, ПОД
ЛЕНТОЧНЫМ ФУНДАМЕНАТОМ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ 54
3.1. Приборы, оборудование и характеристики экспериментальной
площадки 55
3
3.2. Методика проведения натурных исследований 62
3.3. Результаты натурных исследований 67
3.4. Выводы по главе 3 72
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО ПЕСЧАНЫМИ
АРМИРОВАННЫМИ ПО КОНТУРУ СВАЯМИ ПОД ЛЕНТОЧНЫМ
ФУНДАМЕНТОМ 74
4.1. Сопоставление и анализ данных натурных исследований с результатами
численного моделирования 74
4.2. Методика расчета слабого глинистого основания, усиленного песчаными
армированными по контуру сваями 86
4.2.1 Определение осадки песчаной армированной по контуру сваи 89
4.2.2. Определение радиальных деформаций песчаной армированной по
контуру сваи 94
4.2.3. Определение максимальных усилий возникающих в радиальных
волокнах армирующего элемента 95
4.3. Сопоставление данных натурных исследований и результатов
численного моделирования с разработанной методикой расчета 97
4.4. Выводы по главе 4 98
ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА
УСИЛЕНИЯ СЛАБОГО ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ ПЕСЧАНЫМИ
АРМИРОВАННЫМИ ПО КОНТУРУ СВАЯМИ ПОД ЛЕНТОЧНЫМИ
ФУНДАМЕНТАМИ 99
5.1 Технология производства работ при устройстве песчаных армированных
по контуру свай в слабых глинистых основаниях 99
5.2. Внедрение результатов исследований и оценка технико-экономического
применения песчаных армированных по контуру свай в слабых глинистых
основаниях 101
5.2. Выводы по главе 5 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
ПРИЛОЖЕНИЯ 122
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
В настоящее время малоэтажное строительство обретает все большую
популярность. Возможность строительства как элитных, так и более дешевых
вариантов малоэтажного жилья привлекает широкий круг потребителей.
Устройство типовых фундаментов под малоэтажное строительство на слабых
глинистых основаниях обусловливается большими экономическими затратами,
которые могут составлять до 35% от общей стоимости строительства. Снизить
стоимость фундаментов и повысить эффективность работы грунта помогают
новые способы искусственного улучшения их свойств. Разработано и внедрено
множество способов искусственного усиления грунтов основания на проектных
отметках, большинство из которых имеют недостаточную эффективность, что
связанно с использованием дорогостоящих материалов и оборудования.
Производство всевозможных геосинтетических материалов, основанных на
различных полимерных растворах, выступающих в роли армирующих элементов
для искусственного улучшения основания, получило широкое применение в
строительстве. Внедрение армирующих элементов позволяет значительно
улучшить прочностные и деформативные характеристики грунтов и,
следовательно, снизить затраты на возведение фундаментов. Дальнейшему
развитию этого перспективного направления препятствует отсутствие опыта
использования современных геосинтетических материалов в строительстве,
отсутствие экспериментальных исследований и нормативно-технической базы.
В связи с этим актуальной задачей является совершенствование методик
расчета и способов усиления слабых глинистых оснований путём их армирования
современными геосинтетическими материалами.
Объект исследования: слабое глинистое основание, усиленное песчаными
армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом.
Предмет исследования: оценка напряженно-деформированного состояния
(НДС) слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по
6
контуру сваями под ленточным фундаментом.
Цель диссертационной работы: исследование работы песчаных
армированных по контуру свай для снижения деформируемости слабых
глинистых оснований под ленточными фундаментами.
Задачи исследований:
- выполнить комплексные лабораторные исследования работы слабого
глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями
в условиях вертикального нагружения;
- выявить эффективное соотношение диаметра d к длине / песчаной
армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании;
- выполнить комплексные исследования работы слабого глинистого
основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под
ленточным фундаментом в натурных условиях;
- выполнить сопоставление данных, полученных при проведении натурных
исследований, с данными результатов численного моделирования в программных
комплексах PLAXIS 3D и FEM models;
- разработать методику расчета слабых глинистых оснований, усиленных
песчаными армированными по контуру сваями;
- оценить экономический эффект предложенного метода усиления слабых
глинистых оснований песчаными армированными по контуру сваями под
ленточным фундаментом.
Научная новизна исследования:
- на основании комплексных экспериментальных исследований в
лабораторных условиях выявлено эффективное соотношение диаметра d к длине /
песчаной армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом
основании;
- выявлены особенности и основные закономерности напряженно-
деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного
песчаными армированными по контуру сваями, под ленточными фундаментами в
натурных условиях;
7
- разработана методика расчёта слабых глинистых оснований, усиленных
песчаными армированными по контуру сваями.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
- в экономической эффективности предложенного метода усиления слабых
глинистых оснований песчаными армированными по контуру сваями под
ленточными фундаментами;
- в возможности оценки напряженно-деформированного состояния слабого
глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру
сваями;
- в разработке методики расчета слабого глинистого основания, усиленного
песчаными армированными по контуру сваями.
Результаты исследования реализованы:
- в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете
(ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 -
«Промышленное и гражданское строительство»;
- в проектном решении при строительстве объектов: «Индивидуальный
жилой дом в Тюменской области р.п. Богандинский, по ул. Ватутина 6 а»,
«Двухэтажный таунхаус расположенный в г. Ишиме по ул. Шарапова 14».
Методология и методы исследований:
- анализ отечественного и зарубежного опыта существующих методов
устройства фундаментов на слабых глинистых грунтах;
- проведение экспериментальных исследований напряженно-
деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного
песчаными армированными по контуру сваями, на маломасштабных моделях;
- анализ данных лабораторных исследований по определению эффективного
соотношения диаметра d к длине / песчаной армированной по контуру сваи;
- проведение экспериментальных исследований напряженно-
деформированного состояния слабого глинистого основания, усиленного
песчаными армированными по контуру сваями под ленточным фундаментом в
натурных условиях;
8
- анализ результатов натурных исследований НДС слабого глинистого
основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями под
ленточным фундаментом, подтверждение выбора эффективного соотношения
диаметра d к длине /;
- сопоставление полученных результатов натурных исследований с
результатами разработанной методики расчета и численного моделирования в
программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты комплексных экспериментальных лабораторных исследований
по определению эффективного соотношение диаметра d к длине / песчаной
армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом основании;
- закономерности напряженно-деформированного состояния слабого
глинистого основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями
под ленточным фундаментом в натурных условиях;
- методика расчета слабого глинистого основания, усиленного песчаными
армированными по контуру сваями.
Степень достоверности и апробации результатов
Достоверность результатов обеспечивается:
- выполнением экспериментальных исследований с помощью
оттарированных и апробированных контрольно-измерительных приборов и
первичных преобразователей;
- использование в работе сертифицированных программных комплексов,
реализующих метод конечных элементов (МКЭ);
- сопоставлением результатов численных и аналитических решений с
данными натурных исследований;
- сравнением полученных в работе результатов с данными других
исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и
обсуждены на IX Московской международной выставке в салоне инноваций и
инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2009), на IX и X научной конференции молодых
9
ученых и соискателей ТюмГАСУ (г.Тюмень, 2010, 2011), на 12-ом
Всероссийском форуме «Образовательная среда - 2010» (г. Москва, ВВЦ, 2010),
на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы
строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири»
(г.Тюмень, 2010, 2011, 2012), на XX Польско-Российско-Словацком семинаре
«Теоретические основы строительства» (Zilina, 2011), на Всероссийской научно-
практической конференции «Геотехника: Теория и практика» (СПбГАСУ,
г. Санкт-Петербург, 2013), на заседании научно-технического совета
ООО «ПИ Геореконструкция» (г. Санкт-Петербург, 2013).
Личный вклад автора состоит:
- в подготовке экспериментальной базы для проведения исследований;
- в проведении, обработке и анализе полученных результатов
экспериментальных исследований в лабораторных условиях;
- в проведении, обработке и анализе полученных результатов
экспериментальных исследований в натурных условиях;
- в разработке методики расчета слабого глинистого основания, усиленного
песчаными армированными по контуру сваями;
- в выполнении численного моделирования слабого глинистого основания,
усиленного песчаными армированными по контуру сваями под ленточным
фундаментом;
- в сопоставлении полученных результатов натурных исследований с
результатами разработанной методики расчета и численного моделирования в
программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 7 научных статьях,
4 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получен 1 патент
на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,
пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 140
страницы машинописного текста, 53 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 118
наименования, из них иностранных - 13.
10
В первой главе дан обзор и анализ существующих в отечественной и
зарубежной практике методов устройства фундаментов на слабых глинистых
основаниях; рассмотрена история развития методов усиления слабых глинистых
оснований путем устройства песчаных свай; рассмотрен исторический опыт
развития армирования в геотехнике; описаны существующие методы расчета
искусственно улучшенных слабых глинистых оснований.
Во второй главе приведена методика и результаты маломасштабных
экспериментов на грунтовых моделях в лабораторных условиях; описаны
лабораторные установки и применяемая в экспериментах регистрирующая и
измерительная аппаратура; определено эффективное соотношением диаметра с/ к
длине / песчаной армированной по контуру сваи, устроенной в слабом глинистом
основании.
В третьей главе изложена методика проведения экспериментов по
исследованию НДС слабого глинистого основания, усиленного песчаными
армированными по контуру сваями, под ленточным фундаментом в натурных
условиях; дан анализ грунтовых условий по результатам инженерно-
геологических изысканий, проведенных на экспериментальной площадке;
отражены результаты натурных исследований.
В четвертой главе приведена методика расчета слабого глинистого
основания, усиленного песчаными армированными по контуру; выполнено
сопоставление и анализ результатов разработанной методики расчёта с данными
натурных исследований и численного моделирования в программных комплексах
PLAXIS 3D и FEM models.
В пятой главе приведено технико-экономическое обоснование применения
исследуемого метода усиления слабого глинистого основания; описана
технология производства работ по устройству песчаных армированных по
контуру свай; выполнено экономическое сопоставление традиционно
используемых типов фундаментов, применяемых при строительстве малоэтажных
зданий на слабых глинистых основаниях, с предлагаемым ленточным
фундаментом на основании, усиленном песчаными армированными по контуру
11
сваями.
В заключении изложены основные выводы, полученные в ходе
исследований.
В приложениях приведены свидетельства о поверке используемого
оборудования, патент РФ на изобретение; акты о внедрении результатов научно-
исследовательской работы, пример расчета осадки слабого глинистого основания,
усиленного песчаными армированными по контуру сваями.
Весь объем диссертационной работы выполнен в Тюменском
государственном архитектурно-строительном университете под руководством
кандидата технических наук, доцента А.В. Набокова. Автор считает своим долгом
выразить глубокую благодарность за научное руководство и содействие при
выполнении диссертации к.т.н., доценту А.В. Набокову, за ценные указания в
постановке задачи к.т.н., доценту В.Ф. Баю и к.т.н., доценту А.Н. Краеву.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
l.Ha основании комплексных лабораторных исследований на
маломасштабных моделях установлено, что устройство армирующего элемента в
виде геосетки по наружному периметру песчаной сваи стесняет её поперечные
деформации и, соответственно, уменьшает осадку за счёт перераспределения
вертикальных деформаций на грунт, расположенный ниже границы армирования.
Деформируемость грунтового основания, усиленного песчаной армированной по
контуру сваей, от 1,8 до 2,8 раза меньше по сравнению с деформируемостью
основания без усиления.
2. В результате лабораторных и натурных исследований выявлено
эффективное соотношение диаметра d к длине / песчаной армированной по
контуру сваи, равное 1/4. Доказано, что дальнейшее увеличение длины при
заданном диаметре песчаной армированной по контуру сваи приводит к
снижению деформируемости основания от 1,5 до 4,5 % для натурных и
лабораторных исследований соответственно.
3. В результате экспериментальных исследований в натурных условиях
обоснованна эффективность способа усиления слабых глинистых оснований
песчаными армированными по контуру сваями под ленточными фундаментами и
выявлены основные закономерности работы активной зоны усиленного
глинистого основания. На первой ступени приложения нагрузки (Рср]=44,6 кПа)
вертикальные напряжения az в теле песчаных армированных по контуру свай и
межсвайном пространстве сопоставимы с распределением напряжений в
грунтовом основании без усиления. На дальнейших ступенях нагружения (до
Рср5=223 кПа) отмечается резкое увеличение напряжений в теле песчаных
армированных по контуру свай, что позволяет утверждать об их активном
включении в работу как более жестких элементов. Вертикальные напряжения в
межсвайном пространстве естественного основания на 40% меньше напряжений в
песчаных армированных по контуру сваях, что приводит к снижению общей
деформируемости основания.
108
4. Установлено, что использование упругопластической модели Мора -
Кулона в программных комплексах PLAXIS 3D и FEM models с погрешностью до
41%о и 24%> соответственно позволяет описать НДС слабого глинистого
основания, усиленного песчаными армированными по контуру сваями, под
ленточным фундаментом.
5. Разработан метод расчета слабого глинистого основания, усиленного
песчаными армированными по контуру сваями, под ленточным фундаментом,
базирующийся на решении плоской осесимметричной задачи Ламе, который
позволяет рассчитать осадку песчаной армированной по контуру сваи,
напряжения и радиальные перемещения армирующего элемента песчаного
цилиндра. Методика расчета позволяет с погрешностью до 22%о рассчитать осадку
слабого глинистого основания, усиленного песчаными армированными по
контуру сваями, на действие вертикальной нагрузки от действия ленточного
фундамента.
6. Усиление слабых глинистых грунтов песчаными армированными по
контуру сваями позволяет снизить стоимость фундамента от 1,5 до 2,5 раза, по
сравнению с традиционно используемыми типами фундаментов, применяемых
при строительстве малоэтажных зданий.