Суворов Максим Александрович. Расчет многорядных свайных противооползневых сооружений

Короткий опис

Суворов Максим Александрович. Расчет многорядных свайных противооползневых сооружений : диссертация ... кандидата технических наук : 05.23.02 / Суворов Максим Александрович; [Место защиты: Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т].- Уфа, 2010.- 218 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/2739

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
На правах рукописи
04201006544 УДК 624.154.9:624.137.4

Суворов Максим Александрович
РАСЧЕТ МНОГОРЯДНЫХ СВАЙНЫХ ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Специальность: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук,
профессор А.Л.Готман
Уфа 2010

Оглавление
Реферат 4
Введение 5
1 Противооползневые свайные сооружения в практике строительства
и проектирования 13
1.1 Виды оползней и природа оползневых процессов 13
1.2 Определение устойчивости склонов и оползневого давления на противооползневые сооружения 17
1.3 Существующие конструкции свайных противооползневых сооружений 21
1.4 Существующие методы расчета свайных противооползневых сооружений и их анализ 24

1.4.1 Виды необходимых расчетов при проектировании свайных противооползневых сооружений 24
1.4.2 Методы определения предельной оползневой нагрузки на свайные противооползневые сооружения 26
1.4.3 Расчет свайных рядов на возможность обтекания свай грунтом 38
1.4.4 Распределение оползневого давления между сваями в многорядных противооползневых сооружениях 44

1.5 Методы расчета свай на горизонтальную нагрузку 47
1.6 Выводы. Задачи исследований 55

2 Теоретическая концепция расчета многорядных противооползне-вых свайных сооружений 55
3 Экспериментальные исследования 61

3.1 Цели и задачи исследований 61
3.2 Модельные исследования поведения однорядных и многорядных свайных противооползневых сооружений на оползневую нагрузку. 62

3.2.1 Методика исследования 62
3.2.2 Результаты испытаний 73
3.2.3 Выводы по результатам модельных испытаний 100

3.3 Натурные испытания буронабивных свай на горизонтальную нагрузку 104
3.4 Выводы по главе 3 112
4 Разработка методики расчета многорядных противооползневых
свайных сооружений 114
4.1 Расчетная схема и метод расчета многорядных свайных противооползневых сооружений 114
4.2 Расчет свай с использованием МКЭ 121
4.3 Оценка достоверности метода расчета 132
4.4 Предложения по методике проектирования многорядных свайных противооползневых сооружений 144
4.5 Заключение к главе 4 148
5 Внедрение разработанной методики при проектировании
свайных противооползневых сооружений 149
Общие выводы 154
Список литературы 157
Приложения
1 Графики «оползневая нагрузка-перемещение» 177
2 Графики «оползневая нагрузка -угол поворота» 196
3 Акты внедрения результатов диссертационной работы 215
3

РЕФЕРАТ
Диссертация содержит 217 страниц и состоит из введения, 5 глав, общих выводов, 14 таблиц, 54 рисунков, библиографии из 206 наименований (в т.ч. 35 зарубежных) и трех приложений.
Противооползневые многорядные свайные сооружения, модельные испытания, тензосвай, НДС, эпюры изгибающих моментов по длине тензосвай, графики «оползневая нагрузка-перемещение» и « оползневая нагрузка-угол поворота», расчетная схема, метод расчета..
Излагаются результаты экспериментально-теоретических исследований многорядных свайных противооползневых сооружений и результаты разработки метода их расчета на оползневое давление грунта. Предложены рациональные конструкции многорядных свайных противооползневых сооружений.
Экспериментальными исследованиями многорядных свайных
сооружений на моделях получены качественные данные по НДС горизонтально нагруженных свай в составе противооползневого сооружения, выявлены закономерности распределения оползневого давления между рядами свай. По результатам натурных испытаний буронабивных свай показана целесообразность выполнения расчетов, принимая основание многослойным.
Принята расчетная схема, в которой свая рассматривается как изогнутый от давления грунта стержень, верхний конец которого жестко защемлен в ростверк, а нижний конец упруго защемлен на некоторой глубине в уровне поверхности скольжения оползающего массива грунта. Грунт рассматривается как упругое основание Фусса-Винклера. Глубина поверхности скольжения может быть разной для разных рядов свай. Основание многослойное с постоянным в пределах каждого слоя коэффициентом постели.
Предложенный метод расчета позволяет определять перемещение, угол поворота свай и ростверка, усилия Ми Q в заделке свай в ростверк и по длине свай.
4

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время строительство часто осуществляется на территориях, расположенных на склонах или вблизи них, в связи с чем остро встал вопрос инженерной защиты территорий от образования и активизации оползневых процессов. Достаточно часто встречаются случаи необходимости удержания в устойчивом состоянии большие массивы грунта на склонах или откосах с заданным углом наклона, когда устойчивость без принятия противооползневых мероприятий будет заведомо нарушена. Актуальны также вопросы противооползневой защиты в условиях вынужденной подрезки склонов, при устройстве значительных выемок и насыпей в глинистых грунтах, а также наличия высоких строительных и эксплуатационных нагрузок на откосах и склонах.
Возникновение оползней приводит к недопустимым деформациям, нарушению устойчивости и даже разрушению различных инженерных сооружений. При этом нарушение устойчивости зачастую сопровождается перемещением больших объемов грунтовых масс. Воздействию оползней подвергаются производственные и жилые постройки, а также трубопроводы, автомобильные и железные дороги. Это приводит к значительным убыткам.
В настоящий момент наиболее актуальным является вопрос обеспечения устойчивости склонов в условиях стесненной городской застройки, когда выполаживание склонов и выполнение контрбанкетов не всегда возможно ввиду застроенности территории. Применение контрфорсов и подпорных стен на естественном основании ограничено оползнями небольшой мощности. Закрепление грунтов и анкерные устройства являются, как правило, весьма затратными мероприятиями и имеют весьма ограниченную область применения.
Противооползневые свайные сооружения имеют целый ряд преимуществ перед остальными противооползневыми мероприятиями:
• возможность устройства в стесненных городских условиях;
5

• просты и технологичны в изготовлении, позволяют механизировать работы по укреплению склона и свести к минимуму ручной труд;
• исключают подрезки склонов, так как свайные конструкции изготовляются с поверхности грунта;
• дают возможность обойтись только механическим удерживанием склона, даже при наличии комплекса причин, вызывающих оползень (т.е. без устранения причин возникновения оползня);
• не требуют постоянного ухода и ремонта, что исключает эксплуатационные затраты;
• позволяют избежать сложной дренажной системы, так как отдельные сваи не препятствуют движению грунтовых вод в грунтовом массиве;
• в большинстве случаев являются экономически эффективными;
• могут быть дополнительно использованы в качестве фундаментов зданий и сооружений.
Простейшим противооползневым сооружением является однорядная лента из свай, объединенная по верху ростверком (безростверковые сооружения применяются гораздо реже). Однако в большинстве случаев по причине высокого оползневого давления возникает необходимость возведения многорядных свайных сооружений.
Практически во всех случаях в противооползневых сооружениях глубина погружения свай составляет более 10 диаметров, сваи являются гибкими и работают на чистый изгиб. Часто применяются конструкции из свай, защемленных в подстилающие несмещаемые грунты высокой прочности.
Вместе с тем, механизм взаимодействия грунта оползней со сваями противооползневых сооружений изучен недостаточно. Схема работы такого сооружения на оползневое давление грунта существенно отличается от традиционной схемы работы свайного кустового фундамента при действии нагрузок (М, N и Н) через колонну на верхнем обрезе фундамента.
6

Особенностью работы свайных противооползневых сооружений является то, что при сдвиге оползающий массив грунта оказывает горизонтальное давление не только на верхнюю часть стенки (ростверк), но и на сваи. Здесь горизонтальная нагрузка Н действует от оползающего грунта непосредственно на стволы свай, а вертикальная нагрузка N и изгибающий момент М отсутствуют, либо крайне незначительны (обычно присутствует только вертикальная нагрузка от собственного веса ростверка).
Различными исследователями в разное время уделялось большое внимание вопросам изучения и расчета горизонтально нагруженных свай, однако эти исследования, в основном, касались вопросов расчета одиночных свай и кустовых свайных фундаментов.
В существующих расчетных схемах горизонтально нагруженных кустовых свайных фундаментов горизонтальная нагрузка передается на сваи через ростверк, т.е. для расчета противооползневых сооружений из свай эти методы неприемлемы.
Также имеется ряд исследований противооползневых свайных сооружений, где изучались вопросы определения шага свай из условия непродавливания грунта между сваями.
Анализ существующих методов расчета противооползневых свайных сооружений показал, что большинство этих методов приводит к значительному завышению расчетных усилий в сваях и не позволяет учесть возможную многослоиность и неоднородность основания, что весьма актуально при большой мощности оползней.
Поэтому представляется целесообразным и актуальным проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований особенностей работы противооползневых многорядных свайных сооружений и совершенствование метода их расчета.
Целью исследований является разработка метода расчета многорядных свайных противооползневых сооружений, позволяющего определять усилия в сваях и перемещения свай и ростверка.
7

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
S проанализировать существующие методы расчета свайных противооползневых сооружений на оползнеопасных склонах;
S исследовать особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) многорядных свайных противооползневых сооружений при действии оползневого давления;
S исследовать закономерности распределения оползневого давления между рядами свай в зависимости от конфигурации многорядного сооружения;
^выявить рациональные конструктивные решения многорядных свайных противооползневых сооружений;
^построить расчетную схему и разработать метод расчета противооползневого многорядного свайного сооружения с учетом особенностей взаимодействия оползневых грунтов со сваями;
•S разработать рекомендации по рациональному проектированию многорядных свайных противооползневых сооружений.
В диссертационной работе использованы следующие методы исследований:
S модельные исследования различных конструкций
противооползневых многорядных свайных сооружений в лотках с песком с применением моделей свай, оснащенных тензодатчиками;
^натурные испытания буронабивных свай 01200 мм в составе противооползневого сооружения на горизонтальную нагрузку.
Настоящая диссертация содержит результаты экспериментально-теоретических исследований, включающих испытания моделей свайных противооползневых сооружений с использованием тензосвай (21 испытание), испытание натурных буронабивных свай в составе противооползневого сооружения на горизонтальную нагрузку (2 испытания) и разработку экспериментально обоснованного метода расчета.
Научная новизна диссертационной работы заключается в
8

следующем:
S получены новые данные о НДС многорядных свайных противо-оползневых сооружений (значения перемещений свай в уровне поверхности грунта, значения изгибающих моментов по длине свай) при различных оползневых нагрузках в зависимости от шага свай в рядах, шага рядов свай и количества рядов свай;
•S по результатам натурных испытаний буронабивных свай 01200 мм для уфимских глин (глинистые грунты с прослоями и включениями дресвы и щебня карбонатных пород - известняка, мергеля, аргиллита и т.п.) определено значение коэффициента пропорциональности для расчета свай на горизонтальную нагрузку;
S предложена расчетная схема и разработан метод расчета многорядных противооползневых свайных сооружений с учетом особенностей взаимодействия грунтового массива со сваями, а именно:
- оползневое давление действует на ростверк и непосредственно на стволы свай в виде распределенной по глубине горизонтальной нагрузки и принимается равномерно распределенным между всеми рядами свай;
- предусматривается возможность различной глубины расположения поверхности скольжения для каждого ряда свай;
- учитывается возможность многослойности грунтового массива ниже поверхности скольжения, что особенно актуально для свай большого диаметра (1 м и более) и большой длине свай (15 м и более);
^экспериментально выявлены рациональные конструктивные схемы многорядных свайных противооползневых сооружений с точки зрения наиболее эффективной работы свай в составе противооползневого сооружения.
Практическое значение исследований
Предложенная методика расчета противооползневых свайных сооружений позволяет осуществлять расчеты противооползневых конструкций с учетом взаимодействия свай с грунтом оползающего массива и
9

рекомендуется для практического применения.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена применением в экспериментах тензосвай, удовлетворительной сходимостью экспериментальных и расчетных данных с данными известных аналитических и экспериментальных исследований, а также практикой применения предложенного метода при проектировании реальных противооползневых сооружений, возведенных на оползнеопасных территориях.
Реализация работы
Результаты диссертационных исследований и разработанная на их основе методика расчета многорядных свайных противооползневых сооружений были использованы при проектировании инженерной защиты на объектах: общественное здание Конгресс-Холла в г. Уфе, жилой дом в г. Уфе по ул. Парковой, а также при экспертизе проектов противооползневой защиты ряда сооружений в г. Уфе.
Экономический эффект от внедрения предложенной методики расчета свайных рядов при проектировании инженерной защиты для фундаментов здания Конгресс-Холла составил 446 тысяч рублей, при сооружении подпорной стенки на площадке строительства жилого дома по ул. Парковой в г. Уфе- 1008 тыс. рублей.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований использованы при подготовке «Территориальных строительных норм по проектированию противооползневых сооружений в грунтовых условиях Республики Башкортостан».
Основные результаты работы опубликованы в 17 статьях (в том числе 1 статья в журнале «Вестник гражданских инженеров», входящем в перечень изданий ВАК РФ), представлены и доложены на следующих конференциях и семинарах:
1 Международный семинар по механике грунтов, фундаменто-строению и транспортным сооружениям. (Пермь, 2000 г.).
ю

2 Три международные научно-технические конференции УГНТУ (г.Уфа, 2000, 2002, 2003 г.г.).
3 Международная научная конференция 15-17 октября 2003 г. в г. Волгограде «Городские агломерации на оползневых территориях».
4 Международная научно-техническая конференция «Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях» (г.Уфа, 2006 г.).
5 Международная конференция «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, 2007).
6 Sixth International Conference on Case histories in Geotechnical Engineering/ Arlington, VA (USA) -August 11-16, 2008.

7 «Геотехника: научные и прикладные аспекты решения геотехнических задач в условиях нового строительства или реконструкции», Санкт-Петербург, 2009 г.
8 17 International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Alexandria, Egypt. 5-9 okt. 2009.
Результаты работы также неоднократно докладывались на кафедре строительного производства ПГТУ в период обучения в аспирантуре и на ученом совете ГУЛ института «БашНИИстрой».
За решение геотехнических проблем при проектировании здания Конгресс-Холла в г. Уфе в грунтовых условиях с высокой карстовой и оползневой опасностью автор работы в числе 6 человек решением Президиума РОМГТиФ от 1 апреля 2009 г. был награжден дипломом имени Ухова С.Б (диплом №СБУ-004/6).
На защиту выносятся результаты экспериментальных исследований многорядных свайных противооползневых сооружений и метод их расчета на оползневое давление грунта, а также рациональные конструктивные схемы многорядных свайных противооползневых сооружений с точки зрения наиболее эффективной работы свай в составе противооползневого сооружения.
11

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и трех приложений. Общий объем составляет 217 страниц текста, 14 таблиц и 54 рисунка, а также список использованных источников - 206 наименований, в том числе 35 зарубежных.
Диссертационные исследования выполнены в период обучения в аспирантуре Пермского государственного технического университета с 2004 по 2007 гг. в научно-исследовательском институте строительного комплекса «БашНИИстрой» под научным руководством доктора технических наук, профессора Готмана Альфреда Леонидовича, которому считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за постоянное внимание и помощь в работе.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. Шеменкову Ю.М., д.т.н. Пономареву А. Б., н.с. Бахтиярову Г,Г, программисту Закировой Р.А. и всему отделу оснований и фундаментов института «БашНИИстрой» за оказание помощи в процессе проведения экспериментальных исследований.

Список літератури

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Основные результаты проведенных исследований сформулированы в виде следующих выводов.
1 Анализ существующих расчетных методов для расчета свайных однорядных и многорядных противооползневых сооружений показал, что в значительной части этих методов приняты идеализированные расчетные схемы. Оползневая нагрузка на сваю принимается в виде сосредоточенной силы на высоте 1/3 оползневого массива, что не соответствует фактической схеме действия нагрузки. В части методов также принимается, что вся оползневая нагрузка приложена только к первому ряду свай. Методы не позволяют учесть возможную многослойность и неоднородность основания.
2 По результатам экспериментального исследования напряженно-деформируемого состояния свайных противооползневых сооружений при воздействии на них оползневого давления грунта на моделях установлено следующее:
S Свая в составе противооползневого сооружения работает как изогнутый от давления грунта стержень, упруго защемленный как в сдвигаемом массиве грунта (верхняя часть сваи), так в неподвижном грунте на некотором расстоянии ниже поверхности скольжения (нижняя часть сваи).
S Перемещения моделей свай в различных рядах даже при отсутствии объединяющего их ростверка являются практически одинаковыми. Разница перемещений в однорядных и двухрядных схемах составляет до 2-6%, в трехрядных схемах - до 10-16%. Значения изгибающих моментов в сваях разных рядов отличаются между собой не более чем на 10-15%.
S В целом, можно с достаточной для инженерной практики точностью принять распределение нагрузки между рядами равномерным.
3 На основании анализа результатов испытаний моделей свайных
противооползневых сооружений со свободной головой в несвязных грунтах
установлено следующее:
154

S Для однорядного свайного сооружения в несвязных грунтах наиболее эффективное использование свай происходит при шаге свай 2d, т.к. при этом шаге свай отмечается наилучшее соотношение между нагрузкой на сваю и перемещением сваи.
S Для двухрядного свайного сооружения в несвязных грунтах наиболее эффективное использование свай происходит при шахматном расположении свай с шагом свай в ряду Ad.
"S Сопротивление свай в сплошной свайной стенке и в трехрядных свайных сооружениях в 2 раза меньше, чем для однорядного сооружения с шагом свай в ряду 2d.
4 На основании результатов экспериментальных исследований
моделей многорядных свайных противооползневых сооружений в несвязных
грунтах выявлены наиболее рациональные конструктивные схемы, а именно:
- наиболее эффективным ой конструкцией в расчете на 1 сваю являются двухрядные сооружения с шагом свай 4d;
- наименее эффективны трехрядные свайные сооружения.

5 По результатам полевых испытаний натурных буронабивных свай 01200 мм на горизонтальную нагрузку уточнен коэффициент пропорциональности для уфимских глин, который рекомендуется принимать равным К=Ш МН/м4.
6 Установлено, что для длинных свай большого диаметра целесообразно принять расчетную схему грунтового основания, в котором работают сваи, в виде многослойной среды.
7 На основании результатов экспериментальных исследований НДС свайного многорядного противооползневого сооружения построена их расчетная схема и разработан метод расчета этой конструкции на оползневое давление грунта,
8 расчетной схеме принято:
- оползневое давление действует на ростверк и непосредственно на
стволы свай в виде распределенной по глубине нагрузки; нагрузка
155

принимается равномерно распределенной между всеми рядами свай;
- глубина поверхности скольжения может приниматься различной для
каждого ряда свай;
- грунтовое основание ниже поверхности скольжения принято как
линейно-деформируемое основание Фусса-Винклера, многослойное, с
постоянным в пределах каждого слоя коэффициентом постели.
8 Метод расчета позволяет определять перемещение U и угол
поворота свай (р, усилия Ми Q в заделке свай в ростверк, и усилия по длине
свай М2 и Qz
Для повышения точности метода расчетов предложено использовать существующий метод расчета свай на горизонтальную нагрузку в многослойном основании с использованием МКЭ в стержневой аналогии [34].
9 В результате сопоставления с известными работами, результатами
натурных экспериментов и практикой проектирования подтверждена
корректность выбранной расчетной схемы и метода расчета. Показано, что
предлагаемый метод позволяет осуществлять проектирование многорядных
свайных противооползневых сооружений более экономично и менее
материалоемко по сравнению с известными методами.
10 Разработаны практические рекомендации и методика
проектирования многорядных свайных противооползневых сооружений.
Предложенная методика была использована при проектировании инженерной
защиты на ряде ответственных объектов на оползнеопасных территориях.