МІНІСТЕРСТВО освіти І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МОРСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Карпюк Ірина Анатоліївна

УДК624.155:624.155.12

Особливості взаємодії паль, заглиблених вдавлюванням, з ґрунтом основи

Спеціальність: 05.23.02 – “Підвалини та фундаменти”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, приват - професор Новський Олександр Васильович, Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри основ і фундаментів, м. Одеса.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Зоценко Микола Леонідович, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри нафтогазових промислів і геотехніки, м. Полтава;

- кандидат технічних наук, професор Бугаєв Віктор Тимофійович, Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України, кафедра опору матеріалів і будівельної механіки, м. Одеса.

Провідна установа: - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра основ і фундаментів, м. Дніпропетровськ.

Захист дисертації відбудеться 10.03.2004 р. 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.060.01 в Одеському національному морському університеті за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Мечникова, 34.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного морського університету за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Мечникова, 34.

Автореферат розісланий 07.02. 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 41.060.01,

доктор технічних наук, доцент О.Г.Шибаєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Структурна перебудова економіки в останні десятиліття привела до переорієнтації значної частини організацій і фірм з типового будівництва на вільних територіях на реконструкцію, підсилення, модернізацію існуючих будинків і споруд, а також на нове будівництво в складних умовах міської забудови зі збереженням історичних і архітектурних пам'ятників, що вимагає прийняття нестандартних рішень, зокрема, використання вдавлених паль.

Актуальність теми обумовлена, з одного боку, необхідністю влаштування фундаментів нових об'єктів, чи на таких, що відбувається реконструкція, в безпосередній близькості до будинків і споруд, що експлуатуються. З іншого боку, існуюча нормативна і літературна база, впровадження нових ощадних технологій і техніки відстають від змін, що відбулися, у будівництві. Діючі Норми, практично, не ураховують різницю між роботою вдавлених і забивних паль, в них відсутні рекомендації по визначенню взаємного впливу існуючих і щойно влаштованих фундаментів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана робота пов'язана з науково-дослідною тематикою кафедри основ і фундаментів ОДАБА, входить до складу програми “Регіональна ініціатива” (п.17) по збереженню історико-архітектурної і культурної спадщини Одещини, відповідає цільовій комплексній науково-технічній програмі 0.55.04.10 “Розробка і застосування в будівництві на просадних ґрунтах конструктивних рішень і методів розрахунку будинків і споруд з урахуванням спільної роботи основи, фундаменту та надбудови” (науковий генпідрядник КиївЗНДІЕП), виконується в тісному творчому співробітництві з ведучими науково-вишукувальними і проектно-вишукувальними організаціями.

Мета роботи - визначити особливості роботи вдавлених висячих призматичних паль і взаємний вплив одиночних паль, що знаходяться під дією статичного вертикального стискуючого навантаження, а також розробити відповідні пропозиції по уточненню існуючої методики їхнього розрахунку.

Задачі досліджень:

- експериментальне вивчення параметрів взаємодії заглиблених вдавлюванням та забивкою моделей призматичних паль з піщаним ґрунтом у лабораторних умовах;

- дослідження взаємного впливу двох по черзі вдавлених моделей призматичних паль з різним ступенем навантаження на їхню несучу здатність і додаткові осідання;

- уточнення існуючих і розробка нових пропозицій по прогнозуванню несучої здатності та осідань висячих призматичних паль у піщаних ґрунтах, а також розмірів зон активного ущільнення і силового впливу в навколопальовому ґрунті;

- натурні дослідження роботи вдавлених і забивних висячих призматичних паль у супіщаних ґрунтах м. Одеси. Порівняння результатів розрахунку несучої здатності зазначених паль з дослідними даними;

- уточнення відомих і розробка нових рекомендацій з урахуванням впливу рівня навантаження, відстані між існуючою і щойно вдавленою палею на додаткове осідання існуючої і несучу здатність вдавленої палі в різних піщаних ґрунтах.

Об'єкт дослідження - взаємодія висячих призматичних паль з піщаним ґрунтом.

Предметом досліджень є: параметри працездатності одиночних вдавлених і забивних, а також по черзі вдавлених і поруч розташованих призматичних паль; напружено - деформований стан навколопальового ґрунту.

Методи досліджень - експериментально-теоретичні з використанням математичної теорії планування експерименту, стандартних лабораторних і польових методів досліджень параметрів працездатності одиночних, а також поруч розташованих призматичних паль у різних піщаних ґрунтах, з розробкою на основі отриманих даних відповідних пропозицій по уточненню існуючої методики розрахунку.

Наукова новизна отриманих результатів. Виконані дослідження виявили значні розбіжності взаємодії вдавлених та забивних висячих призматичних паль з ґрунтом основи, особливості роботи двох поруч розташованих паль на вертикальне стискуюче навантаження; дозволили суттєво уточнити та доповнити методику їхнього розрахунку. Зокрема:

- отримані нові дані про вплив крупності, щільності та вологості піску на зусилля вдавлювання, енергію заглиблення, несучу здатність, розміри зон активного ущільнення і силового впливу навколо вдавлених та забивних моделей паль;

- встановлені залежності між несучою здатністю і зусиллям вдавлювання паль, несучими здатностями, основними осіданнями вдавлених і забивних паль для різних піщаних ґрунтів, які значно доповнюють та уточнюють сучасні уявлення про роботу таких паль;

- отримані нові дані про взаємний негативний вплив двох по черзі вдавлених і поруч розташованих моделей паль з різним ступенем навантаження на їхню несучу здатність, осідання, напружений стан піщаних грунтів основи;

- вперше встановлена кількісна залежність додаткового осідання одиночної палі, зумовленого вдавлюванням та роботою сусідньої палі, від рівня її навантаження, відстані між ними, характеристик грунтів;

- розвинена та доповнена нормативна методика прогнозування несучої здатності вдавлених паль з урахуванням зусилля їхнього вдавлювання, несучої здатності забивних паль в ідентичних грунтових умовах. Підготовлені пропозиції по визначенню основних і додаткових осідань розглянутих паль.

Практичне значення отриманих результатів:

- знайдені прості емпіричні вирази, що дозволяють за відомими характеристиками піщаного ґрунту визначати величину зусилля вдавлювання чи енергію заглиблення паль забивкою, через які, у свою чергу, можна прогнозувати їхню несучу здатність;

- встановлена залежність, за допомогою якої можна в ідентичних ґрунтових умовах по відомій несучій здатності забивних паль визначати таку для вдавлених і навпаки;

- визначені показники взаємного негативного впливу двох поруч розташованих висячих паль під навантаженням;

- дані рекомендації з визначення безпечної з точки зору мінімальних додаткових осідань відстані між сусідніми робочими палями і припустимим рівнем їхнього навантаження.

Результати проведених досліджень впроваджені Одеською філією ДІПРОМІСТО, НВЦ “Екобуд”, НПКТІ “Монолітпроект” при проектуванні, а також ВАТ “Черноморгідробуд”, ВАТ “Стікон” при прибудові нових і підсиленні існуючих фундаментів різних об'єктів з використанням паль, що вдавлюються.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики, виконанні лабораторних і натурних досліджень, обробці й аналізі отриманих результатів, порівнянні їх з відомими даними інших авторів, підготовці висновків і пропозицій з розрахунку вдавлених висячих призматичних паль.

Усі наукові результати, що представлені в дисертації, отримані здобувачем самостійно. У статтях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать наступні результати:

[1] проведення натурних дослідів, обробка й аналіз отриманих даних;

[4] експериментальні дослідження, обробка й аналіз отриманих даних;

[5] вимір тиску у ґрунті при вдавлюванні та навантаженні двох сусідніх паль;

[6] експериментальні дослідження, обробка й аналіз отриманих даних;

[7] аналіз інженерно-геологічних умов дослідних майданчиків кафедри основ і фундаментів ОДАБА, на яких вивчали взаємодію різних типів паль з грунтами та їх впровадження;

[8] узагальнення досвіду використання палевдавлюючої установки АТ “Стікон”;

[9] вибір дослідних факторів і рівнів їхньої зміни;

[10] модельні дослідження зон активного ущільнення ґрунту вдавлених і забивних паль;

[11] експериментальні дослідження, обробка й аналіз отриманих даних.

[12] математичні моделі основних і додаткових осідань паль;

Апробація результатів дисертації.

Основні результати досліджень, що ввійшли в дисертаційну роботу, були повідомлені, обговорювалися та були схвалені на другій (Полтава, 1995р.), третій (Одеса, 1997р.), четвертій (Київ, 2000р.) Українських науково-технічних конференціях по механіці ґрунтів, геотехніці і фундаментобудуванню, міжнародних науково-технічних конференціях, присвячених 100-річчю від дня народження проф. В.М.Голубкова (Одеса, 2000р.), геотехнічним експлуатаційним проблемам нафтогазової галузі (Тюмень, 2002р.), питанням міської забудови, реконструкції будинків і споруд (Харків, 2002р.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОДАБА в 1996-2003роках.

Публікації.

Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 6 збірниках наукових праць, 6 матеріалах і тезах науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і двох додатків. Дисертація містить в собі 227 сторінок, з яких 117 сторінок основного тексту, 51 рисунок на 30 сторінках, 18 таблиць на 29 сторінках. Список використаних джерел (155 найменувань) і додатки представлені, відповідно, на 19 і 32 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обґрунтована актуальність, наукова новизна і практичне значення роботи, приведена її загальна характеристика.

У першому розділі зроблений короткий огляд сучасного стану експериментальних і теоретичних досліджень взаємодії вдавлених паль із ґрунтом, існуючих методів їхнього розрахунку на статичне вертикальне вдавлююче навантаження, сформульовані мета і задачі досліджень. Вагомий внесок у розробку технології заглиблення паль вдавлюванням і уточнення методів розрахунку їхньої несучої здатності внесли А.О. Бартоломей, Б.В. Бахолдін, І.П. Бойко, В.Т. Бугаєв, Ю.Л. Вінніков, М.С. Гайдай, С.В. Гдалін, Е.М. Гендель, А.Л. Готман, Б.І. Далматов, А.І. Догадайло, М.П. Дубровський, М.Л. Зоценко, В.О. Ільїчов, Л.І. Колєсніков, П.О. Коновалов, М.В. Корнієнко, С.Й. Кущак, Ф.К. Лапшин, Е.І. Мулюков, О.В. Новський, Є.М. Перлєй, М.Б. Пойзнер, А.Б.Пономарьов, С.В. Романов, А.В. Савінов, Є.В. Свєтінський, С.Н. Сотніков, Ю.Ф. Тугаєнко, В.М. Уліцький, Г.І. Чорний, А.Г. Шашкін, О.В. Школа, П.І. Яковлєв, П.І. Ястребов та ін.

Дослідження І.П. Бойко, В.О. Грішина, А.А. Ілюшина, С.Ф. Клованіча, В.В. Ковтуна, В.В. Соколовського, О.В. Школи та інших учених дозволяють більш широко використовувати моделі, що характеризують різні пружно - пластичні властивості матеріалів при розв/язанні складних задач взаємодії споруд, в тому числі паль, з контактуючим ґрунтом.

Застосування вдавлених паль зумовлене відсутністю динамічних впливів на ґрунт основи, високою точністю заглиблення, безупинним контролем за опором паль вдавлюванню і, отже, їхньою несучою здатністю, порівняно низькою енергоємністю, доступністю й екологічною чистотою.

Нормативні документи, які регламентують роботу вдавлених паль, рекомендують виконувати розрахунок їхніх основ по I групі граничних станів за методикою СНиП 2.02.03-85 з наступною перевіркою осідань за рекомендаціями цих же Норм, а також СНиП 2.02.01-83. Як альтернативна, довела на практиці свою ефективність методика розрахунку паль по II групі граничних станів.

Огляд літератури показав, що для широкого впровадження в практику будівництва ефективного способу заглиблення паль вдавлюванням необхідно вміти вірогідно визначати в конкретних ґрунтових умовах розрахунковий опір ґрунту основи одиночної палі при заданому осіданні або розрахункову несучу здатність ґрунту основи палі, осідання палі як окремо розташованого фундаменту чи в складі куща, граничне зусилля вдавлювання; відстань між палями, при якій їхній взаємний вплив і вплив на сусідні фундаменти стає мінімальним; час “відпочинку” палі, який необхідно вичікувати перед передачею на неї розрахункового навантаження.

Для уточнення існуючих уявлень про взаємодію паль з навколишнім ґрунтом і розв/язання поставлених задач був виконаний комплекс лабораторних і натурних досліджень, методика проведення яких викладена в другому розділі.

Аналіз умов моделювання змішаної задачі теорії лінійно - деформівного середовища і середовища теорії граничної рівноваги показав, що спільна робота висячої палі з навколишнім ґрунтом у початковій стадії до появи “зсувного” осідання може бути охарактеризована за допомогою розрахункової моделі лінійно - деформівного середовища, а при досягненні “зсувного” осідання по бічній поверхні - моделі середовища теорії граничної рівноваги, під п'ятою палі - моделі пружнопластичного середовища при описі процесів, що відбуваються в навколопальовому ґрунті як у натурі, так і на моделях. При використанні для моделі того ж незв'язного ґрунту, такої ж щільності, що й у натурі розглянуті умови моделювання перетворюються в найпростішу геометричну подібність. Виходячи з цього, усі модельні досліди виконували в піщаному ґрунті.

Лабораторні дослідження взаємодії моделей призматичних паль з піщаним ґрунтом були розбиті на три серії. У перших двох вивчали вплив способу заглиблення на параметри працездатності одиночних вдавлених (I серія) і забивних (II серія) паль в ідентичних ґрунтових умовах. У III серії визначали взаємний вплив паль у процесі почергового їхнього вдавлювання і навантаження.

Модельні дослідження виконані з використанням математичної теорії планування експерименту. У перших двох серіях в якості дослідних обрані фактори: Х1- середня крупність зерен піску (D=0,2; 0,5; 0,8мм),Х2- його щільність у сухому стані (?d=1,30; 1,45; 1,60т/м3) і Х3- вологість піску (W=0; 0,035; 0,070).

У третій серії при сталій вологості піску W=0,035 змінювали: Х1 - відстань між осями моделей паль (L=4,5d; 6,0d; 7,5d), Х2- середню крупність зерен піску (D=0,2; 0,5; 0,8мм), Х3- його щільність у сухому стані (?d=1,30; 1,45; 1,60т/м3).

Експерименти виконували по повному факторному, близькому за властивостями до Д – оптимального, трьохрівневому плану Бокса В3 у вдосконаленому кафедральному лотку. Модель призматичної палі мала співвідношення геометричних розмірів з натурою 1:12. Кожен рядок плану дублювали двома чи трьома дослідами.

Піщаний ґрунт заданої планом крупності і щільності пошарово вкладали в сухому стані в лоток, а потім, також пошарово, зволожували розрахунковою кількістю води. У дослідах з використанням сухого піску перед розбиранням лотка його зволожували для того, щоб ґрунт не обсипався.

Побутовий тиск насипного шару ґрунту штучно створювали шляхом укладання зверху на ґрунт у лотку металевої пластини з пригрузом.

Заглиблення моделей паль здійснювали за допомогою спеціальних гвинтового вдавлюючого і забивного пристосувань. Зусилля вдавлювання вимірювали динамометром. Вагу ударної частини пристосування і висоту його падіння визначали дослідним шляхом з таким розрахунком, щоби кількість ударів складала 100±5.

Осідання паль вимірювали індикаторами годинного типу.

Форму і розміри активної зони ґрунту в лабораторних умовах визначали за переміщеннями фіксаторів, які розташовувалися горизонтальними рядами, і утримувалися в такому положенні до заповнення лотка піском з пошаровим його ущільненням за допомогою натягнутих сталевих спиць. Спиці витягали з лотка перед заглибленням моделі палі. Фіксатори мали можливість переміщуватися як у процесі формування зони активного ущільнення ґрунту при заглибленні моделі палі, так і в процесі розвитку зони деформації при її навантаженні. Одночасно з зачищенням у вертикальній площині, яка містила в собі ось палі, відбирали зразки ґрунту для визначення його щільності в межах зони ущільнення.

Тиск у ґрунті навколо дослідних паль в процесі їхнього заглиблення і навантаження вимірювали за допомогою датчиків тиску (месдоз), розташованих ланцюжками по висоті і ширині лотка.

Після умовного “відпочинку” заглибленої вдавлюванням чи забиванням моделі палі через 3...4 доби до неї прикладали статичне вертикальне навантаження за 8...12 ступеней з витримкою до умовної стабілізації осідання і виконанням усього комплексу вимірів.

При вивченні взаємного впливу двох сусідніх паль відповідно до прийнятої схеми (рис. 1) вдавлювали першу модель палі С-1. Після умовного “відпочинку” через 3 доби до неї ступенями прикладали вертикальне статичне вдавлююче навантаження величиною 75% від зусилля вдавлювання. Після повної стабілізації осідання S1 палі С-1 через добу вдавлювали другу модель палі С-2 з усіма вимірами, в тому числі додаткового осідання першої палі S12, обумовленого заглибленням і навантаженням після відпочинку другої палі.

Комплексні натурні дослідження роботи призматичних паль були проведені відповідно до договору №2473 від 18.02.98 між ОДАБА й ВАТ “Стікон” у Приморському районі м. Одеси на майданчику з лесовими супіщаними і суглинними ґрунтами I типу по просадності. Усього були випробувані дві вдавлені в супіщаний ґрунт з мінімальним питомим зчепленням (4кПа) залізобетонні призматичні палі з поперечним перерізом 0,350,35м і довжиною 6м, дві забивні такої ж довжини і одна вдавлена паля довжиною 15м за стандартною методикою з використанням вертикальних ланцюжків месдоз марки ПДП-70/11-10 для виміру тиску в ґрунті, магнітних марок для фіксації зон активного ущільнення і деформацій ґрунту.

Заглиблення натурних паль здійснювали палевдавлюючою установкою, розробленою ВАТ “Стікон”, на базі гусеничного крана МКГ-25 із застосуванням статичного додаткового навантаження і палебійним агрегатом СА-25 на базі гусеничного крана МКГ-25 з дизель-молотом С994.

Навантаження на дослідні 6ти метрові палі передавали через завантажувальні платформи після їхнього тритижневого “відпочинку”, а випробування 15ти метрової палі виконували за допомогою гідравлічного домкрата марки ДГО-200.

У третьому розділі роботи приведені результати експериментальних досліджень взаємодії моделей вдавлених і забивних одиночних паль з піщаними ґрунтами. У процесі обробки даних дослідів, виключення незначущих і перерахунку коефіцієнтів, що залишилися у рівняннях регресії отримані адекватні математичні моделі основних вихідних параметрів перших двох серій дослідів:

зусилля вдавлювання палі, F1,

, кН; (1)

несучої здатності вдавленої палі, Fd1,

,кН; (2)

відношення несучої здатності палі до зусилля її вдавлювання, , ; (3)

несучої здатності забивної палі, Fd2,

, кН; (4)

узагальненого коефіцієнта умов роботи вдавленої палі в ґрунті, , ; (5)

енергії заглиблення забивної палі, ,

, Дж; (6)

питомої несучої здатності забивної палі, :

, Н/Дж; (7)

відносних діаметрів активної зони під нижнім кінцем палі, :

- вдавленої палі ; (8)

- забивної палі ; (9)

відносних діаметрів активної зони в голові, :

- вдавленої палі ; (10)

- забивної палі ; (11)

відношення об/ємів активних зон до об/єму паль, :

- вдавлених паль ; (12)

- забивних паль ; (13)

осідань вдавлених моделей паль, SI,

, мм; (14)

осідань забивних моделей паль, SII,

, мм; (15)

коефіцієнта, що ураховує вплив способу заглиблення палі на її осідання, . (16)

Виконанні дослідження дозволили знайти істотні відмінності в роботі вдавлених і забивних моделей висячих паль. Так, наприклад, відношення несучої здатності вдавлених до несучої здатності забивних паль для різних ґрунтових умов коливається в межах 0,6...1,2, а відношення несучої здатності вдавлених паль до зусилля їхнього вдавлювання - 0,8...1,0.

Виконані дослідження підтвердили наявні дані про те, що при достатньому заглибленні вдавленої палі випирання ґрунту під її нижнім кінцем носить внутрішній локальний характер. Частки ґрунту, розташовані значно нижче п'яти палі, переміщуються, переважно, вниз з відхиленням в сторони, а поблизу п'яти палі - у горизонтальному напрямку з незначним відхиленням нагору.

Виміри тиску у ґрунті показали, що як при забиванні, так і при вдавлюванні, у відносно вузькій смузі, поблизу п'яти палі виникає зона концентрації як горизонтальних, так і вертикальних напружень які, до 10 разів перевищують напруження в інших рівнях (по Б.В.Бахолдіну і П.І.Ястребову пікові напруження). При подальшому заглибленні палі спостерігається переміщення зазначеної зони разом зі зсувом п'яти палі вниз і різке падіння пікових напружень, звідкіля можна зробити висновок, що ґрунт не являється пружним матеріалом навіть після його доущільнення.

Характерно, що зі збільшенням глибини значення пікових, робочих і залишкових напружень у ґрунті по довжині стовбура палі зростають, а при віддаленні від її осі – зменшуються.

Горизонтальний тиск у ґрунті по довжині палі в 2,5-5,0 раз перевищує вертикальний. Під п'ятою палі робочі, а потім, і залишкові напруження перевищують пікові, в середньому, відповідно, у 1,8 і 1,3рази.

Відмінності у формуванні зони активного ущільнення ґрунту обумовлюють також більші (в середньому, на 20%) осідання вдавлених паль у порівнянні з забивними. При середніх значеннях крупності, щільності піску і відсутності його вологості переважаючими є осідання забивних паль, а зі збільшенням вологості піску – вдавлених.

У четвертому розділі висвітлені особливості спільної роботи двох по черзі вдавлених і навантажених моделей паль з навколишнім піщаним ґрунтом. Кількісний і якісний вплив дослідних факторів на основні параметри працездатності двох поруч розташованих моделей призматичних висячих паль виражається математичними моделями:

основне осідання палі С-1, S1,

,мм; (17)

додаткове осідання палі С-1 при вдавлюванні і навантаженні палі С-2, S12, ,мм; (18)

відношення додаткового осідання до основного, КS12=S12/S1,

; (19)

залежність додаткового осідання палі С-1 від рівня навантаження (?К) на неї ,мм; (20)

зусилля вдавлювання палі С-2, F2,

, кН; (21)

несуча здатність палі С-2, Fd3,

, кН; (22)

відношення несучої здатності до зусилля вдавлювання палі С-2, К5=Fd3/F2, ; (23)

осідання палі С-2, S2,III,

мм. (24)

Як видно з рис.1, при вдавлюванні і наступному навантаженні моделі палі С-2 спостерігається значне додаткове осідання S12 першої моделі палі С-1, яке перевищує, в середньому, у 2,3 рази основне осідання цієї ж палі, набуте в процесі її навантаження до рівня 0,75 від зусилля вдавлювання, (Fd1/1,2). При цьому, близько 80% осідання S12 проявляється напротязі невеликого проміжку часу заглиблення палі С-2 і 20% - у процесі її навантаження.

При прийнятому діапазоні зміни дослідних факторів найбільший вплив на величину S12 робить щільність піску (103%), потім - відстань між осями паль (63%) і крупність піску (14%). Очевидно, що зі зменшенням L до 3d переважаючим по величині впливу на зазначений вихідний параметр виявиться відстань між осями сусідніх паль.

Додаткові досліди при фіксованих “нульових” рівнях зміни дослідних факторів (L=6d; Д=0,5мм; ?d=1,45т/м3; W=0,035) показали, що зі збільшенням рівня навантаження на палю С-1 від 0,53F до 0,75F (зменшенні коефіцієнта надійності по навантаженню ?k з 1,7 до 1,2) додаткові її осідання при вдавлюванні і навантаженні сусідньої такої ж палі С-2 зростають не лінійно в 6,7 рази.

При почерговому вдавлюванні і навантаженні двох сусідніх моделей паль, практично, у всіх дослідах III серії спостерігали накладення пікових і робочих напружень в навколопальовому ґрунті, що і послужило причиною появи додаткових осідань палі С-1, зменшення, порівняно з одиночною несучої здатності палі С-2, в середньому, на 8% і збільшення її осідання на 30%.

В основу приведеної в п'ятому розділі блок-схеми розрахунку вдавлених висячих призматичних паль за I і II групами граничних станів (рис. 2) покладені рекомендації діючих нормативних документів з уточнюючими пропозиціями автора. При цьому, з метою уникнення випадкових помилок і зменшення впливу масштабного фактора при підготовці пропозицій по уточненню розрахунку зазначених паль в піщаних ґрунтах були використані ті математичні моделі, які відображають порівняльні характеристики їхньої роботи (наприклад, відношення несучої здатності вдавлених до несучої здатності забивних моделей паль).

Розрахункову несучу здатність висячої вдавленої палі рекомендується визначати за формулою (1) блок-схеми, яка відрізняється від формули (8) СНиП2.02.03-85 тим, що замість одного коефіцієнта умов роботи ?с1=1 пропонується використовувати два коефіцієнти ?с1 і ?с2. В основі виразу (4) блок-схеми для уточнюючого коефіцієнта ?с1, який інтегрально ураховує особливості роботи вдавлених паль стосовно забивних, лежить математична модель (5). Можливе зниження несучої здатності щойно вдавленої палі через наявність по сусідству такої ж навантаженої палі (кущовий ефект) ураховується коефіцієнтом ?с2.

Запропонована методика дозволяє також визначати несучу здатність вдавленої палі за результатами випробування аналогічної забивної палі в ідентичних ґрунтових умовах за допомогою залежності (2) блок-схеми.

Найбільш простою і вірогідною видається оцінка несучої здатності палі через зусилля її вдавлювання за допомогою коефіцієнта KF (виразу (11), отриманого з моделі (3).

Порівняння дослідних і розрахункових значень несучої здатності натурних 6ти і 15ти метрових висячих призматичних паль показало, що рекомендації нормативних документів РСН-357-91, ВСН 16-84, ДБН В.3.1-1-2002 і деяких дослідників, в тому числі автора, визначати їхню несучу здатність через граничне зусилля вдавлювання, в цілому, забезпечують задовільну збіжність прогнозу і даних експериментів.

Прогноз осідань (формула (12) блок-схеми) висячої призматичної вдавленої палі під навантаженням у піщаних ґрунтах рекомендується здійснювати або за рекомендаціями додат.4 СНиП 2.02.03-85 як одиночної палі без розширення, або за СНиП 2.02.01-83 як заглибленого умовного фундамента на природній основі з використанням коефіцієнтів KS і ?C,S , які ураховують, відповідно, вплив способу заглиблення палі вдавлюванням і наявність поруч розташованої такої ж навантаженої (?k=1,2) палі.

Додаткове, не ураховане діючими нормативними документами, осідання існуючої навантаженої палі, що проявляється при вдавлюванні і наступній роботі сусідньої такої ж палі, може бути визначене за формулою (15) блок-схеми по відомому зміряному чи визначеному розрахунком основному осіданню цієї палі шляхом урахування відстані між ними, характеристик піщаного ґрунту і рівня її навантаження за допомогою коефіцієнтів KS,12 і Kгk (вирази (16) і (17)).

Порівняння дослідних і розрахункових значень несучої здатності натурних призматичних паль, визначених відповідно до вимог діючих нормативних документів і рекомендацій різних дослідників наведене в табл. 1.

ВИСНОВКИ

1.Вдавлювання є одним із найбільш надійних, простих і екологічно чистих способів заглиблення паль, що дозволяє виконувати роботи не тільки зовні, але й усередині аварійних будинків, безупинно контролювати опір палі заглибленню і, отже, її несучу здатність.

2.Незадовільна збіжність розрахункових величин несучої здатності вдавлених паль з експериментальними даними пояснюється як недосконалістю діючих нормативних документів, так і тим, що вони не ураховують специфіку роботи паль, заглиблених таким способом. Найбільші розбіжності зафіксовані для коротких призматичних і циліндричних паль.

3.Проведені експериментальні дослідження дозволили виявити вплив основних характеристик піщаного ґрунту на зусилля вдавлювання, енергію заглиблення, розміри зони

активного ущільнення, несучу здатність, осідання та інші параметри працездатності одиночних висячих вдавлених і забивних призматичних паль, їхній взаємозв'язок; визначити взаємний негативний вплив двох по черзі вдавлених і поряд розташованих паль на їхню несучу здатність і додаткові осідання.

4.Встановлено залежність додаткового осідання одиночної висячої призматичної палі, обумовленої заглибленням і роботою такої ж сусідньої палі, 5.Введення у формулу (8) СНиП 2.02.03-85 поправочних коефіцієнтів умов роботи ґрунту під нижнім кінцем і по бічній поверхні палі, які більш повно ураховують технологію її заглиблення, а також запропонованих автором коефіцієнтів умов роботи вдавленої палі в ґрунті ?C1, гC.2 дозволяє значно наблизити результати розрахунку несучої здатності паль до дослідних даних.

6.Рекомендації нормативних документів РСН 357-91, ВСН 16-84, ДБН В.3.1-1-2002, які регламентують роботу вдавлених паль, пропозиції різних дослідників, в тому числі і автора роботи, визначати їхню несучу здатність через граничне зусилля вдавлювання, в цілому, забезпечують задовільну збіжність прогнозу і даних випробувань як коротких, так і довгих висячих паль.

7.Прогноз сідань одиночних висячих вдавлених призматичних паль у піщаних чи близьких до них ґрунтах рекомендується робити за нормативною методикою з використанням запропонованих автором коефіцієнтів КS і ?C,S.

8.Додаткове, неураховане діючими нормативними документами, осідання існуючої навантаженої висячої палі, яке з'являється при вдавлюванні й навантаженні сусідньої такої ж палі, може бути визначене по відомому зміряному чи визначеному розрахунком основному осіданню цієї палі шляхом урахування відстані між ними, характеристик піщаного ґрунту і величини прикладеного до неї навантаження за допомогою коефіцієнтів КS,12 і Кг?. від рівня навантаження на неї, відстані між палями, характеристик ґрунту.

Таблиця 1

№ п/п | Назва

Норм, П.І.Б. дослідника | Середня дослідна несуча здатність паль

, кН | Розрахункова несуча здатність паль , кН | Відношення розрахункової до середньої дослідної несучої здатності

забив- них L=6м | вдавлених | забив- них L=6м | вдавлених | забив- них L=6м | вдавленх

L=6м | L=15м | L=6м | L=15м | L=6м | L=15м

(1) | (2) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) | (10) | (11) | (12)

1 | СНиП 2.02.03-85 | 188 | 181 | 990 | 242 | 242 | 1639 | 1,29 | 1,34 | 1,66

2 | РСН 357-91 | 188 | 181 | 990 | 242 | 166 | 1342 | 1,29 | 0,92 | 1,36

3 | РТМ36.44.12.2-90 | 188 | 181 | 990 | 242 | 195-410 | 2206 | 1,29 | 1,08-2,27 | 2,33

4 | ТСН 50-302-96 | 188 | 181 | 990 | 242 | 355 | 1855 | 1,29 | 1,96 | 1,87

5 | ВСН 16-84 | 188 | 181 | 990 | 242 | =195 | =1020 | 1,29 | 1,08 | 1,03

6 | ДБН В.3.1-1-2002 | 188 | 181 | 990 | 242 | 203 | 1063 | 1,29 | 1,12 | 1,07

7 | П.О.Коновалов | 188 | 181 | 990 | 242 | 196 | 1422 | 1,29 | 1,08 | 1,44

8 | М.В.Корнієнко,

О.Ф.Лебеда,

О.В.Шепетюк,

О.І.Балакшин | 188 | 181 | 990 | 242 | 150...

188 | (Fd=F)

=1020 | 1,29 | 0,83...

1,04 | 1,03

9 | А.В.Савінов,

Ф.К.Лапшин | 188 при S=16мм | 181 при S=16мм | 990 при S=16мм | 242 | 324 при S=14мм | 1144 при S=15,8мм | 1,29 | 1,79 при S=14мм | 1,16 при S=15,8мм

205 при S=40мм | 195 при S=51мм | 1160 при S=47мм | 359 при S=38мм | 1267 при S=39,7мм | 1,84 при S=38мм | 1,09 при S=39,7мм

10 | І.А.Карпюк |

188 |

181 |

990 | (3)

208 | (1) 195 | =1020 | 1,11 | (1) 1,08 | 1,03

(2) 173 | (2) 0,96

(10) 175 | (10) 0,97

210 |

190 |

1155 | (3)

208 | (1) 195 | =1020 | 0,99 | (1) 1,03 | 0,88

(2) 173 | (2) 0,91

(10) 175 | (10) 0,92

ОПУБЛІКОВАНІ РОБОТИ За ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

Основні наукові фахові видання:

1.Новский А.В., Жуйван И.А., Кущак С.И., Генералов А.И., Кушнирева А.А. Погружение свай вдавливанием: Сб. нучн. тр. “Строительные конструкции, строительные материалы, инженерные системы, экологические проблемы.” - Одесса: Город мастеров, 1998. –С.40-41.

2.Карпюк И. А. Некоторые результаты экспериментальных исследований работы моделей вдавленных и забивных призматических свай в песчаных грунтах// Вісник ОДАБА №3. - Одеса: ВМК “Місто майстрів”, 2001. - С.44-50.

3.Карпюк И.А. Взаимное влияние моделей призматических свай в процессе поочередного их вдавливания и нагружения// Вісник ОДАБА №4. - Одеса:ВМК “Місто майстрів”, 2001.–С.283-288.

4.Карпюк И.А, Новский А.В., Карпюк В.М., Колесников Л.И.Деформации грунта вокруг коротких призматических свай в песчаных грунтах// Вісник ОДАБА №5. - Одеса: ВМК “Місто майстрів”, 2001. - С.55-61.

5.Карпюк В.М., Карпюк И.А.,.Новский А.В,.Колесников Л.И,.Холодов В.Д, Кубийович Н.И. Особенности напряженно-деформированного состояния песчаных грунтов при поочередном вдавливании и нагружении рядом расположенных моделей висячих призматических свай: Научн. - техн. сб. “Коммунальное хозяйство городов” -Вып.39. Серия: Технические науки. - К.: Техніка, 2002. – С. 252-257.

6. Карпюк И.А., Карпюк В.М., Колесников Л.И., Кубийович Н.И., Карпюк Ф.Р. Результаты экспериментальных исследований напряженно -деформированного состояния песчаных грунтов в процессе их взаимодействия с моделями висячих призматических свай// Вісник ОДАБА №8. - Одеса: ОДАБА, 2002. - С.72-78.

Праці, що додатково відображають наукові результати дисертації:

7.Жуйван И.А., Новский А.В. Результаты исследований и опыт использования свай различных конструкций в условиях г. Одессы// Труды 3 Укр. научно-техн. конф. по механике грунтов и фундаментостроению. -Том 2. -Одесса: ОГАСА, -1997 - С. 353-354.

8.Новский А.В., Кущак С.И., Жуйван И.А.. Особенности устройства свайных фундаментов вблизи существующих зданий: Сб. научн. тр. “Строительство. Материаловедение. Машиностроение.” - Днепропетровск: ПГАСиА, 1998. –С.23-25.

9.Карпюк И.А., Новский А.В. Использование метематической теории планирования эксперимента в исследовании несущей способности свай и их взаимодействия с окружающим грунтом: Зб. наук. праць. 4-тої Укр. науково-техн. конф. “Механіка грунтів та фундаментобудування”. Вып.53: -Книга1. - К.: НДІБК, 2000. – С.430-433.

10.Карпюк И.А., Новский А.В. Влияние способа погружения свай на их несущую способность: Зб. наук. праць. 4-тої Укр. науково-техн. конф. “Механіка грунтів та фундаментобудування”. Вып.53: -Книга2. - К.: НДІБК, 2000. – С.112-114.

11.Карпюк В.М., Карпюк И.А., Колесников Л.И., Кодрянова Р.М. Особенности совместной работы поочередно вдавленных и нагруженных моделей призматических висячих свай: Мат-лы междунар. семинара. “Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли”. - Тюмень: Тюм. ГНГУ, 2002. - С.87-91.

12.Карпюк И.А., Колесников Л.И., Карпюк В.М., Кодрянова Р.М. Влияние способа погружения моделей призматических свай на их осадки: Мат-лы междунар. семинара. “Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли”. - Тюмень: Тюм. ГНГУ, 2002. - С.126-129.

Анотація

Карпюк І.А. Особливості взаємодії паль, заглиблених вдавлюванням, з ґрунтом основи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02-“Підвалини та фундаменти”. - Одеський національний морський університет, Одеса, 2004.

Дисертація присвячена вивченню особливостей роботи вдавлених і забивних висячих призматичних паль, взаємного впливу двох сусідніх паль під дією вертикального статичного навантаження та розробці пропозицій по уточненню існуючої методики їх розрахунку.

Для розширення існуючих уявлень про взаємодію вдавлених та забивних паль з оточуючим ґрунтом виконані комплексні модельні та натурні дослідження, які виявили суттєві розбіжності їхньої несучої здатності , взаємний негативний вплив двох, поруч розташованих паль.

Уточнена діюча нормативна методика розрахунку вдавлених паль за I та II групами граничних станів шляхом введення в розрахункові формули поправочних коефіцієнтів, які комплексно ураховують спосіб їхнього заглиблення, характеристики піщаних ґрунтів, наявність сусідньої навантаженої палі, відстань між ними та рівень навантаження. Розроблені рекомендації по визначенню додаткового осідання існуючої палі, яке появляється під час заглиблення та навантаження сусідньої такої ж палі.

Ключові слова: паля, вдавлювання, несуча здатність, осідання, ґрунт, модельні дослідження, натурні експерименти, взаємодія, розрахунок, коефіцієнт.

Аннотация

Карпюк И.А. Особенности взаимодействия свай, погруженных вдавливанием, с грунтом основания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - “Основания и фундаменты”. - Одесский национальный морской университет, Одесса, 2004.

Диссертация посвящена изучению особенностей работы вдавленных и забивных висячих призматических свай, взаимного влияния соседних свай под действием вертикальной статической нагрузки и разработке предложений по уточнению методики их расчета.

Устройство фундаментов новых или реконструируемых объектов в непосредственной близости к существующим зданиям или сооружениям в условиях плотной застройки предполагает использования свай, погружаемых вдавливанием.

Нормативные документы, регламентирующие работу вдавленных свай рекомендуют выполнять расчет их оснований по I группе предельных состояний по методике СНиП 2.02.03-85 с последующей проверкой осадки по рекомендациям этих же Норм, а также СНиП 2.02.01.-83. Однако, указанные Нормы не учитывают разницу между работой вдавленных и забивных свай. В то же время, они фактически признают другие условия формирования зоны активного уплотнения грунта под нижними концами вдавленных свай путем введения в формулу несущей способности повышающего коэффициента условий работы по грунту (?CR=1,1).

Для уточнения имеющихся представлений о взаимодействии вдавленных и забивных свай с окружающим грунтом, решения поставленных задач был осуществлен комплекс лабораторных и натурных испытаний.

Модельные исследования выполнены с использованием математической теории планирования эксперимента по полному факторному, близкому по свойствам к Д - оптимальному трехуровневому плану Бокса В3. В первых двух сериях изучали влияние крупности, плотности и влажности песчаного грунта на основные параметры работоспособности вдавленных и забивных моделей висячих призматических свай. В третьей серии опытов исследовали взаимное влияние двух поочередно вдавленных и нагруженных моделей свай.

Проведенные исследования позволили обнаружить существенные отличия в работе вдавленных и забивных моделей свай как по несущей способности и энергии их погружения, так и по осадкам, объемам активных зон грунта основания и др.

Как при забивке, так и при вдавливании сваи в относительно узкой полосе, примыкающей к ее пяте возникает, впервые обнаруженная Б.В.Бахолдиным и П.И.Ястребовым, пикообразная зона концентрации горизонтальных и вертикальных напряжений, до 10 раз превышающих напряжения в других уровнях. Эта зона перемещается вместе со смещением пяты сваи вниз. С увеличением глубины значения пиковых, рабочих и остаточных напряжений в грунте по длине ствола сваи возрастают, а по мере удаления от ее оси - уменьшаются.

При изучении совместной работы двух поочередно вдавленных и нагруженных моделей свай была обнаружена значительная дополнительная осадка первой сваи, обусловленная погружением и нагружением соседней такойже сваи. Установлена степень влияния на эту осадку расстояния между сваями, уровня нагрузки на первую сваю и характеристик песчаного грунта. Обнаружено также, что наличие ранее погруженной и нагруженной первой сваи заметно снижает несущую способность второй сваи и увеличивает ее осадку по сравнению с одиночной сваей.

Составленные на основании анализа результатов проведенных экспериментов предложения и рекомендации позволили существенно уточнить нормативную методику расчета вдавленных свай по I и II группам предельных состояний путем введения в расчетные формулы поправочных эмпирических коэффициентов, комплексно учитывающих способ их погружения, характеристики песчаного грунта, наличие по соседству такой же нагруженной сваи, расстояния между ними и уровня их нагружения. Кроме того, даны предложения по определению дополнительной, не учитываемой действующими нормативными документами, осадки существующей нагруженной сваи, проявляющейся при вдавливании и последующем нагружении соседней такой же сваи.

Для проверки предлагаемой методики расчета были выполнены комплексные натурные исследования работы двух вдавленных и двух забивных 6ти метровых, а также одной вдавленной 15ти метровой сваи в Приморском районе г. Одессы на площадке с лессовыми супесчаными и суглинистыми грунтами