Державний науково-дослідний інститут

будівельних конструкцій

Лобачева Наталія Геннадіївна

УДК 624.131:624.15

Підсилення основ фундаментів
тисками ущільнення

05.23.02 – Основи і фундаменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007 р.

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор,

ПЕТРАКОВ Олександр Олександрович

Донбаська національна академія будівництва і архітектури МОН, завідувач кафедри “Основи, фундаменти та підземні споруди”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Винников Юрій Леонідович

Полтавський національний університет ім. Ю.Кондратюка МОН;

Кафедра видобування нафти і газу та геотехніки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Савицький Олег Анатолійович

Інститут гідромеханіки НАН України

Провідна установа: | Придніпровська державна академія будівництва та архітектури МОН, кафедра “Основи і фундаменти”

Захист відбудеться “15” травня 2007 року о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій Мінбуду України, м. Київ за адресою: 03680, м. Київ, вул. Івана Клименка, 5/2, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Мінбуду України, м. Київ

Автореферат розісланий “ ” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
докор технічних наук, професор Калюх Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні роки в Україні різко зріс рівень інвестицій у будівельне виробництво, у результаті чого збільшилися об'єми, як нового будівництва, так і реконструкції існуючих будівель і споруд. При цьому, зважаючи на те, що 90% території України представлено складними інженерно-геологічними умовами, а основна частина сприятливих для будівництва територій вже освоєна, будівництво нових споруд доводиться здійснювати на територіях зі складними інженерно-геологічними умовами. Крім того, при реконструкції будівель, що супроводжується збільшенням навантажень на фундаменти, у стиснутих умовах щільної міської забудови значну роль у виборі методу посилення основи відіграє його технологічність.

Для усунення таких факторів, що ускладнюють інженерно-геологічні умови, як слабкі, макропористі ґрунти в практиці будівництва широко застосовуються методи ін'єкційного зміцнення ґрунту основи різними закріплюючими розчинами (цементація, силікатизація й т.д.), а також різні способи ущільнення ґрунтів (у тому числі й глибинне). Висока ефективність застосування основ та фундаментів з ущільненням ґрунту досягається за рахунок їхніх раціональних конструкцій і технології зведення. У багатьох регіонах України на них зводять до 40-70% будинків і споруд. Однак, існуюча технологія ущільнення ґрунтів основи найчастіше не може бути використана в умовах щільної міської забудови через динамічні впливи, що негативно відбиваються на існуючих будівлях.

У зв'язку із цим, актуальним напрямком є розробка методів ущільнення ґрунту, що виключають динамічний вплив.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукових досліджень по держбюджетних і господарських тематиках інституту Донецький ПромбудНДІпроект "Розробити методи підсилення основ фундаментів тисками ущільнення" (державний реєстраційний номер V006088) і Донбаської національної академії будівництва й архітектури “Удосконалення конструктивних рішень фундаментів для будівель і споруд, що експлуатуються в умовах м. Макіївки” (К23-02-01).

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень полягає в наступному:

- удосконалювання методів поліпшення будівельних властивостей ґрунтів основи за рахунок розробки й дослідження технологічно нового методу глибинного ущільнення основ фундаментів шляхом створення в ґрунтовому масиві внутрішніх тисків ущільнення;

- створення розрахунково-теоретичного апарата проектування штучних основ із урахуванням технологічних і конструктивних особливостей запропонованого методу ущільнення ґрунту на базі побудови його моделі, яка б досить вірогідно відображала стан основи як у стадії ущільнення так і у стадії зведення і експлуатації фундаментів;

- впровадження розробленого методу ущільнення ґрунту й принципів розрахунку параметрів ущільненої основи в проектну практику.

Для реалізації указаної мети автором сформульовані й вирішені наступні задачі:

- аналіз і класифікація існуючих методів поліпшення будівельних властивостей ґрунтових основ;

- розробка вдосконаленого методу глибинного ущільнення ґрунтового масиву, для якого як ущільнююче робоче середовище використовується матеріал, що не має внутрішнього тертя (рідина, газ);

- розробка конструктивних і технологічних параметрів обладнання для створення ущільнюючих тисків у ґрунтовому масиві;

- проведення серії експериментальних досліджень з метою визначення працездатності, ефективності і області можливого застосування методу підсилення основи тисками ущільнення;

- проведення чисельних досліджень (методом кінцевих елементів) впливу конструктивних і технологічних параметрів методу ущільнюючих тисків на міцність та деформативність підсиленої основи;

- розробка інженерної методики розрахунку залежності геометричних параметрів і властивостей ґрунту ущільненої зони залежно від ущільнюючого тиску;

- розробка рекомендацій з підсилення основ, складених слабкими ґрунтами, методом ущільнюючих тисків;

- впровадження результатів роботи в реальні проекти.

Об'єкт дослідження. Штучні основи, створювані шляхом ущільнення ґрунту. При цьому фундаменти глибокого закладання та водонасичені основи в роботі не розглядаються.

Предмет дослідження. Напружено-деформований стан ґрунтового масиву при створенні внутрішніх ущільнюючих тисків і параметри ущільненої основи в наступній роботі.

Методи дослідження:

- стандартні лабораторні методи визначення властивостей ґрунтів;

- експериментальні методи визначення міцності та деформативності будівельних конструкцій;

- методи визначення деформацій основи на основі рішень теорії пружності;

- чисельні методи розв'язання змішаної пружно-пластичної задачі методом кінцевих елементів у фізично й геометрично нелінійній постановці для визначення напружено-деформованого стану (надалі НДС) ґрунтового масиву.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну досліджень складають:_ 

новий метод глибинного ущільнення ґрунтів, заснований на створенні внутрішнього тиску за допомогою робочого тіла, що не має внутрішнього тертя;_ 

розрахункова модель ґрунтової основи, що ущільнюється внутрішнім тиском, заснована на розв'язанні змішаної пружно-пластичної задачі в геометрично нелінійній постановці;– 

експериментальні дані про зміну фізико-механічних властивостей ґрунтів, процеси зміни НДС ґрунтових масивів при створенні внутрішніх ущільнюючих тисків, зокрема закономірності утворення навколо фундаментів зон ущільненого ґрунту із зміненими властивостями;– 

запатентована нова ефективна конструкція, обладнання і спосіб створення фундаментів ущільнення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:– 

удосконалення і впровадження в практику будівництва ефективних конструктивно-технологічних рішень ущільнення основ;– 

розробка рекомендацій із проектування й здійснення робіт з ущільнення основ фундаментів запропонованим методом.

Впровадження результатів досліджень. Матеріали досліджень використані при розробці: проекту підсилення основ фундаментів комплексу будівель шахти “Алмазна” ДХК “Добропіллявугілля”.

Особистий внесок здобувача. Постановка проблеми, формулювання мети, задач, пошук їхнього вирішення шляхом здійснення теоретичних й експериментальних досліджень, наукові розробки й практичні результати, їхній аналіз і висновки, викладені в дисертації, отримані здобувачем особисто. У статтях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать такі результати:

- чисельне дослідження НДС ґрунтового масиву, навантаженого внутрішнім тиском, його аналіз, та висновки [1];

- визначення розрахункових параметрів ґрунту основи в залежності від НДС ґрунтового масиву з урахуванням різних типів ґрунту [2];

- визначення області використання запропонованого пристрою [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на:

- науково-технічної конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (Київ, 2003);

- наукових конференціях Донбаської національної академії будівництва й архітектури (Макіївка, 2003-2004 р.);

- п'ятої Всеукраїнської науково-технічної конференції по механіці ґрунтів, геотехніці та фундаментобудуванню з іноземною участю (Одеса, г);

- наукових семінарах кафедри “Основи, фундаменти й підземні споруд” Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Макіївка, 2005-2006 р.).

Публікації. За матеріалами виконаних досліджень і розробок опубліковано 6 друкованих праць у наукових журналах і збірниках наукових праць; 2 роботи опубліковано без співавторів.

Об`єм та структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 138 найменувань, 3 додатків. Робота викладена на 150 сторінках, у тому числі 114 сторінок основного тексту, 13 сторінок списку використаних джерел, 23 повних сторінки з рисунками й таблицями, 23 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практичне значення роботи, представлена загальна характеристика роботи.

У першому розділі наведено огляд і аналіз стану питання і рівня наукових досягнень в області поліпшення будівельних властивостей ґрунтів.

Виконаний огляд показав, що методи перетворення будівельних властивостей основ можна розділити на три групи:_ 

конструктивні методи, які у відмінності від інших методів не поліпшують властивості самих ґрунтів, а створюють більш сприятливі умови їхньої роботи за рахунок регулювання напруженого стану і умов деформування;_ 

ущільнення ґрунтів, здійснюване різними способами і спрямоване на зменшення пористості ґрунтів, створення більш щільного пакування мінеральних часток;_ 

закріплення ґрунтів, що полягає в утворенні міцних штучних структурних зв'язків між мінеральними частками.

Розглянуто сучасні тенденції розвитку основ і фундаментів з ущільненням ґрунту.

Процеси ущільнення ґрунту відносять до найпоширеніших при виконанні фундаментів і штучних основ. Такі фундаменти відрізняють високий рівень використання несучої здатності основи внаслідок формування в ній зони ущільненого ґрунту за рахунок витиснення або заміни його в об'ємі робочого органу, порожнини, що утворюється під впливом енергетичного процесу, матеріалу, яким ущільнюють, і т.п.. У межах цієї зони підвищуються міцністні та деформаційні характеристики, ліквідуються просадні властивості ґрунту.

Значний внесок у розробку фундаментів ущільнення зробили Ю. М. Абелєв, А. О. Бартоломей, Б. В. Бахолдін, І. П. Бойко, Ю. Л. Винников, М. М. герсеванов, Я. Д. Гільман, В. М. Голубков, М. Н. Гольдштейн, А. Л. Готман, Н. З. Готман, А. О. Григорян, М. С. Грутман, Б. І. Далматов, А. І. Догадайло, Н. М. Дорошкевич, М. Ф. Друкований, М. Л. Зоценко, С. М. Клепіков, П. О. Коновалов, М. В. Корнієнко, М. М. Кризьский, В. І. Крутов, І. Я. Лучковський, М. С. Метелюк, Ю. М. мурзенко, Р. М. Нарбут, Є. М. перлей, О. О. Петраков, А. М. Рижов, Д. А. Романов, О.А. СавицькийС. А. Слюсаренко, М. І. Смородінов, С. М. Сотников, Д. Ю. Соболевський, Є. А. Сорочан, В. Г. Таранов, Л. М. Тимофєєва, В. М. Уліцький, В. І. Феклін, М. О. Цитович, Г. І. Черний, Д. М. Шапіро, В. Б. Швець, Н. С. Швець, О. В. Школа, П. І. Яковлєв, J.R.K.та інші.

Проаналізовані методи розв'язання задач нелінійної механіки ґрунтів.

У цей час проектування фундаментів будівель і споруд базується на розрахунках основ по граничних станах. У багатьох випадках при цьому виявляється достатнім користуватися методами розрахунків, заснованими на найпростіших моделях поведінки ґрунтів під навантаженням: теорії граничної рівноваги – для розрахунків по несучій здатності і теорії лінійного деформування – для розрахунків по деформаціях. Однак у ряді випадків такий підхід приводить до зайвих запасів при проектуванні споруд або, в особливо складних випадках, виявляється недостатнім для проектного обґрунтування.

На даний момент якого-небудь загального посібника, що дозволяє вибрати найбільш раціональне рішення по ущільненню слабкого ґрунту, не існує, що приводить до необхідності здійснення багатокоштовних експериментальних досліджень, а також розробки нових методів ущільнення ґрунтів.

У другому розділі наведені розробка і теоретичне обґрунтування методу “Підсилення основ фундаментів тисками ущільнення”.

Запропонований у даній роботі метод підсилення основ фундаментів тисками ущільнення заснований на здатності ґрунту деформуватися під навантаженням. Ці деформації відбуваються, головним чином, за рахунок зміни об'єму пор між частками, тому що стисливість самих часток ґрунту, як уламків твердого тіла, мізерно мала.

Можлива область застосування методу це макропористі (недоущільнені) ґрунти, що мають низькі структурні зв'язки, зі ступенем вологості не перевищуючим 0,5 (у протилежному випадку ґрунти повинні мати високий коефіцієнт фільтрації).

Суть запропонованого методу полягає в наступному – у ґрунтовому масиві на необхідній глибині створюється внутрішній ущільнюючий тиск із розрахунковою інтенсивністю р, достатньої для утворення розширення з необхідними параметрами. Як робоча середа для створення тиску застосовується матеріал (речовина) з низьким або відсутнім внутрішнім тертям і коефіцієнтом бічного тиску близьким до одиниці. Як основний варіант рекомендується застосування в якості робочої середи води, газу або пару, т.к. у цьому випадку головні напруги в будь-якій точці робочого середовища (у тому числі й на контакті із ґрунтовим масивом) будуть дорівнювати інтенсивності створюваного тиску у1=у2=у3. Для виключення проникнення робочого середовища в пори ґрунтового масиву тиск робочого середовища на ґрунтовий масив передається через непроникну, пружно-еластичну оболонку, що легко деформується.

Розглянута задача по розподілу напруг у ґрунтовому масиві від дії внутрішніх тисків ущільнення є вісесиметричною і відповідно завантажена внутрішнім тиском поверхня являє собою поверхню обертання, що у процесі завантаження і протікання деформацій змінює свою форму і площу. При цьому залежно від різних параметрів, таких як: початкова форма, діаметр і висота камери тиску; стисливість навколишнього ґрунтового масиву; розтяжність (деформативність) матеріалу камери тиску; інтенсивність тиску і т.д. форма розширення, що утворюється, може змінюватися від практично циліндричної до практично сферичної. При співвідношенні висоти розширення до його діаметра більше 10 розв'язувану задачу можна віднести до вісесиметричної у площині Х-У, розглянуту в умовах плоскої деформації уздовж осі Z, що є найбільш простим випадком. В інших випадках необхідно розглядати вісесиметричну просторову задачу.

Розподіл напруг у ґрунтовому масиві при заданих крайових умовах може бути зведений до рішення диференціальних рівнянь рівноваги, доповнених рівняннями спільності деформацій і фізичних рівнянь у формі закону Гука.

Для випадку вісесиметричної задачі в умовах плоскої деформації радіальні напруги в точці ґрунтового масиву, що відстоїть від завантаженої поверхні на відстані r можна визначити по формулі

(1)

де r – радіальні напруги в розглянутій точці;
p – інтенсивність внутрішнього тиску;
r – радіус розширення або поверхні, завантаженої ущільнюючим тиском (рис. );
r – відстань від завантаженої поверхні до розглянутої точки.

Рис.1. Схема для визначення радіальних напруг у точці, що відстоїть на відстані r від завантаженої поверхні, для випадку вісесиметричної задачі в умовах плоскої деформації

В інших випадках при розгляді вісесиметричної просторової задачі радіальні напруги з деякими допущеннями можна визначати, користуючись існуючими інтегральними рішеннями задачі Буссінеска.

Наприклад, при формі розширення, що утворюється, близької до сферичної, радіальну напругу з невеликою похибкою можна визначити по формулі

, (2)

де – коефіцієнт розсіювання напруг у ґрунтовому масиві

(3)

де = r/r.

У зв'язку з тим, що при створенні внутрішнього ущільнюючого тиску мінімальний опір ґрунту (за умови відсутності аномальних явищ у масиві ґрунту у вигляді карстових порожнин і т.п.) буде в напрямку поверхні, розрахунковий тиск, створюваний усередині ґрунтового масиву, повинен обмежуватися величиною, що виключає підняття поверхні ґрунтового масиву з умови (4)

Рис.2. Схема до розрахунку стійкості ґрунтового масиву над розширенням

, (4)

де r – прогнозований радіус розширення, м;
– усереднена питома вага ґрунту в межах глибини d;
V – об'єм конічного тіла випирання,

;
R – радіус основи конічного тіла випирання,

;

Sb – площа бічної поверхні тіла випирання, м2,

; ;

q – тиск на поверхні ґрунтового масиву, кПа;
So – площа основи тіла випирання, м2, що обчислюється по формулі .

Тобто можна записати

. (5)

Хоча в певних ситуаціях, наприклад при виправленні крену методом підйому, може розглядатися і створення розширень при тисках, що не задовольняють
умові (5).

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням. Наведені експериментальні дослідження ставлять перед собою ціль – перевірити працездатність та ефективність методу “Підсилення основ фундаментів тисками ущільнення”. Рішення поставлених задач у лабораторних умовах здійснювалося за допомогою стенда (камери тиску), розробленого автором спеціально для апробації запропонованого методу (рис. 3).

Рис. . Загальний вигляд стенда.

Стенд для експериментальних досліджень складається із трьох основних частин:

1. Камера тиску (висотою 1 м і діаметром  м) з отворами для установки вимірювальних приборів.

2. Робочий орган ( що включає в себе стовбур і пружньо-еластичну гофровану оболонку).

3. Компресор потужністю до 20 атм.

Як основа при проведенні експерименту використовувалися два види ґрунту:

- пісок дрібний, =17.40,1 кН/м3, e=0.79;

- суглинок =18.70.1 кН/м3, e=0.73.

Перевірка працездатності запропонованого в дисертації нового методу ущільнення ґрунтів, а також ефективність його застосування в різних ґрунтових умовах, здійснювалася у два етапи. На першому етапі в ґрунтовому масиві створювався внутрішній ущільнюючий тиск, що істотно перевищує граничний критичний тиск ґрунту, у результаті чого відбувалося утворення переущільненої зони, зони зсувів і порожнини в ґрунтовому масиві. Параметри зон ґрунтового масиву встановлювалися шляхом вимірювання переміщень різних точок ґрунтового масиву. На другому етапі, після заповнення порожнини, що утворилася в ґрунтовому масиві, цементно-піщаним розчином, отримане тіло фундаменту випробовувалося на дію зростаючого вертикального навантаження аж до втрати несучої здатності основи.

Рис. . Отримане розширення.

У ході першого етапу експерименту вимірялися величина внутрішнього тиску й відповідні їй горизонтальні переміщення точок ґрунтового масиву А, В, С, D, E, F, розташовані на одній прямій у радіальному напрямку (рис. 5).

Рис. . Розміщення точок А-F у плані.

За результатами проведеної серії випробувань були визначені наступні закономірності

Рис. . Залежність коефіцієнта пористості в зонах, обмежених розглянутими точками ґрунтового масиву, від тиску.

Рис. . Зміни діаметра розширення й ущільненої зони від величини ущільнюючого тиску.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що запропонований новий метод “Підсилення основ фундаментів тисками ущільнення” є працездатним. Область застосування даного методу – слабкі й недоущільнені піщані й глинисті ґрунти.

Ефект від застосування розглянутого методу посилення основи досягається переважно за рахунок утворення розширення й ущільненої зони, які можуть перевищувати діаметр свердловини в 6 і більше разів. Аналіз графіків (рис.7) призводить до наступних висновків. Процес ущільнення ґрунту поділяється на дві принципово різні стадії. На першій стадії до тисків приблизно 5 ати відбувається компресійне ущільнення ґрунту за законом Терцагі. При цьому в діапазоні тисків 2-5 ати компресійна крива практично паралельна вісі тисків. Подальше збільшення ущільнюючого тиску призводить до прогресуючого збільшення розширення й ущільненої зони за рахунок формування зони пластичної течії ґрунту.

Застосована в експериментальних дослідженнях конструкція робочого органу дозволяє влаштовувати палі малого діаметра (40-70 мм) з розширеннями (100-400 мм) з будь-яким розташуванням у плані, вертикально й похило.

У четвертому розділі виконані чисельні дослідження НДС ґрунтового масиву, завантаженого внутрішніми тисками, методом кінцевих елементів.

Для вирішення поставлених задач був виконаний аналіз напружено-деформованого стану ґрунтового масиву, що сприймає навантаження від тисків ущільнення, у рамках рішення вісесиметричної змішаної пружно-пластичної задачі в умовах плоскої деформації методом кінцевих елементів.

Як основні положення розрахунку прийняті наступні:_ 

ґрунтовий масив працює в умовах плоскої деформації в напрямку вісі;_ 

модуль деформації ґрунтового масиву приймається перемінним залежно від рівня напруг відповідно до компресійної кривої;_ 

рішення задачі здійснюється методом послідовних завантажень.

Сумарні напруги в кінцевому елементі записуються в наступному вигляді: ; ; , (6)

де z0, x0, zx0 – початкові напруги (сума всіх напруг на попередніх кроках завантаження);
zs, xs, zxs – збільшення напруг;
k – коефіцієнт наближення до ущільненого стану.

Коефіцієнт наближення до ущільненого стану вводиться у зв'язку з тим, що підвищення ступеня щільності ґрунту відбувається тільки до певної межі, що залежить від виду і фізичного стану ґрунту, і приймається з урахуванням компресійної кривої.

Сумарні переміщення вузлів кінцевого елемента записуються в наступному вигляді:

; (7)

де 0, x0, – початкові переміщення (сума всіх переміщень на попередніх кроках завантаження);
s, xs – збільшення переміщень.

Основні вихідні дані, використані в розрахунку, наведені далі:

Початкові міцністні та деформаційні характеристики ґрунтового масиву приймалися наступні:

- модуль деформації Е=5 МПа;

- коефіцієнт Пуассона х =0.3;

- кут внутрішнього тертя =300;

- питоме зчеплення с=2 кпа.

Середа ґрунтового масиву прийнята невагомою, тому що напруги від власної ваги ґрунту діють уздовж осі Z.

На першому кроці навантаження до континуальних трикутних елементів прикладена вузлове зосереджене навантаження, що діє в радіальному напрямку і розбите на дві складові: Nх і Ny. Початкова величина навантаження і її подальше збільшення в покроковому режимі приймається з урахуванням коефіцієнта наближення до ущільненого стану.

На кожному кроці навантаження визначалися переміщення вузлів розрахункової моделі (7), а також повний тиск, що діє на ґрунтовий масив у цей момент часу. Визначення поточного навантаження вироблялося відповідно до формули (6).

Закінченням розрахунку вважалося досягнення граничними шарами масиву ущільненого стану.

У результаті проведених чисельних досліджень були отримані залежності діаметра зони розширення й зони ущільнення від тиску (рис. 8).

Рис.8. Залежність діаметру розширення від ущільнюючого тиску в діапазоні до 16 атм.

Аналіз діаграм переміщень точок ґрунтового масиву, отриманих чисельним і експериментальним шляхом, у діапазоні ущільнюючих тисків до 6 атм (рис. 9), показав, що залежність деформацій від напруг в обох випадках носить нелінійний характер. При цьому переміщення, отримані експериментально практично в 2 рази перевищують значення, отримані чисельним розрахунком. Це пояснюється складністю одночасного урахування в запропонованій моделі наближення до ущільненого стану (підвищення деформаційних характеристик) і стану пластичної течії (зниження деформаційних характеристик).

Рис. 9. Залежність радіальних переміщень точки від внутрішніх тисків

Також автором виконувалися розрахунки, пов'язані із установленням фізико-механічних характеристик ґрунтів в ущільненій зоні з урахуванням виду ґрунту.

Установлено, що при ущільненні ґрунту під дією внутрішнього тиску характеристики міцності (кут внутрішнього тертя й питоме зчеплення) зростають (див. рис. 10, 11). При цьому питоме зчеплення більш інтенсивно зростає для пилувато-глинистих ґрунтів, кут внутрішнього тертя навпаки зростає більш інтенсивно для піщаних ґрунтів. На певному етапі ущільнення приблизно рівному 80-100 атм відбувається стабілізація характеристик міцності. Тобто, очевидно, що подальше ущільнення стає недоцільним. Необхідно також відзначити, що характеристики міцності змінюються по товщині масиву, що ущільнюється. При цьому максимальне значення в місці прикладання ущільнюючого тиску можна визначити по рис. 10, 11, а мінімальне на границі ущільненої зони дорівнює початковому значенню відповідної характеристики міцності. Як розрахункове значення характеристик міцності рекомендується приймати усереднене значення по товщині ущільненого масиву. Усереднення характеристик необхідно здійснювати відповідно до епюри розподілу ущільнюючих тисків по товщині масиву. Необхідно також помітити, що пилувато-глинисті ґрунти важче піддаються ущільненню, чим піщані.

Рис. . Зміна питомого зчеплення ґрунту залежно від діючого тиску в зоні ущільнення.

Рис. . Залежність кута внутрішнього тертя від діючого тиску в зоні ущільнення.

В результаті проведених чисельних досліджень, з урахуванням змінених характеристик ґрунту ущільненої зони, були отримані залежності середніх вертикальних переміщень тіла фундаментів без розширення і з розширенням від навантаження (рис. 12). Співставлення вертикальних переміщень, отриманих чисельним шляхом, з експериментальними значеннями (див. рис. 12) показало наступне. Осідання фундаментів, виготовлених без ущільненої зони, практично, збігаються. Осідання фундаментів з розширенням в ущільненій зоні 250 мм, визначені розрахунком, в 2 і більше разів перевищують відповідні осідання, визначенні в експерименті. Останнє свідчить про наявність певних запасів надійності в запропонованій методиці розрахунку. Створення розширення фундаменту в зоні ущільнення дозволяє підвищити його несучу здатність в 2,5 і більше разів.

Рис. 12. Осідання паль за результатами експериментальних і чисельних досліджень.

У п`ятому розділі визначено область застосування запропонованої конструкції підсилення основ фундаментів тисками ущільнення, розроблені і дані рекомендації з технології утворення ущільненої зони. Також наведена методика розрахунку несучої здатності основи, підсиленої методом ущільнюючих тисків. Згідно з цією методикою несуча здатність палі з розширеною основою, отриманою методом ущільнюючих тисків, на вертикальне навантаження визначається як найменше зі значень несучої здатності:

- ґрунту в межах ущільненої зони;

- ґрунту природного стану, що підстилає ущільнену зону.

Визначення розмірів розширення і ущільненої зони в умовах вісесиметричної задачі (у горизонтальній площині) і в умовах плоскої деформації уздовж вертикальної осі Z запропоновано наступним образом.

Визначення переміщень поверхні розширення в радіальному напрямку вирішується методом пошарового підсумовування в ітераційній інтерпретації із прямим і зворотним ходом на кожній ітерації по формулі:

, (8)

деi – номер елементарного шару стисливої товщі;
j – номер ітерації;
n – кількість розрахункових елементарних шарів на j-тій ітерації.

При цьому деформації елементарних шарів, розташованих у зоні пружно-пластичної середи, необхідно визначати відповідно до законів нелінійної механіки ґрунтів з урахуванням можливості розширення в тангенціальному (кільцевому) напрямках

Деформації елементарних шарів, розташованих у зоні з наявністю ділатансії середовища, потрібно визначати із умов досягнення ґрунтом об’ємної деформації, що відповідає його максимальній щільності, та подальшого змінювання форми при незмінному значенні об’ємної деформації. При формі розширення, близької до сферичної зміну товщини елементарного шару можна визначати за формулою (9). При цьому, у формулу можуть вноситися зміни, що враховують проміжні форми розширення у вигляді еліпсоїдів обертання з різним співвідношенням піввісей.

, (9)

де h0 – початкова товщина зони, у межах якої радіальні напруги перевищують граничний критичний тиск ґрунту;
H – початкова висота завантаженої поверхні;
r0 – початковий радіус розширення;
e0 – початковий коефіцієнт пористості;
ecom – коефіцієнт пористості, що відповідає максимальній щільності ґрунту;
r – переміщення зовнішньої границі розглянутої зони за рахунок деформацій більш віддалених від джерела тиску зон;

Прямий хід використовується для визначення радіальних деформацій елементарних шарів з урахуванням розмірів завантаженої площі на кожній ітерації та установлення стисливої товщі в кожному радіальному напрямку.

Зворотний хід необхідний для встановлення впливу деформацій більше віддалених від джерела тиску елементарних шарів на об'ємні деформації та деформації формозміни прилеглих елементарних шарів, а також для встановлення розмірів розширення (завантаженої площі) на кожній ітерації.

Ітераційний процес триває до одержання стисливої товщі з відмінністю від попереднього значення в межах необхідної точності або до одержання переміщення, що відрізняється від попередніх в межах необхідної точності.

Також у п’ятому розділі надані данні про впровадження результатів дослідження. Розглянуто використання буронабивних паль з розширенням, що утворювалось методом внутрішніх тисків ущільнення, на прикладі підсилення фундаментів будівлі котельної шахти “Алмазна”, що зведена на просідаючих ґрунтах другого типу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Запропонований у даній роботі метод підсилення основи ущільнюючими внутрішніми тисками може використовуватись як для нового будівництва, так і для реконструкції будь-яких об'єктів в умовах щільної забудови. При цьому, теоретично його можна використати в будь-яких ґрунтових умовах, у яких є можливість створити внутрішній тиск, що істотно перевищує міцність ґрунту, достатній для утворення локальної зони переущільненого ґрунту, що знаходиться в стадії пластичної течії, але при цьому виключає випір (підняття поверхні) вищерозташованого ґрунту.

2. Ефект від застосування розглянутого методу посилення основи досягається переважно за рахунок утворення розширення і ущільненої зони, які можуть перевищувати діаметр свердловини в 6 і більше разів. Подальше збільшення ущільнюючого тиску приводить до прогресуючого збільшення розширення і ущільненої зони за рахунок формування зони пластичної течії ґрунту.

3. Невеликі розміри експериментально отриманої зони ущільнення пояснюються швидким загасанням напруг від ущільнюючих тисків, що розсіюються в масиві ґрунту. Це обумовлено невеликим діаметром свердловини і відповідно невеликою завантаженою поверхнею. При збільшенні діаметра свердловини та ущільнюючого тиску ефект від застосування розглянутого методу буде набагато істотніше.

4. Збільшення несучої здатності для паль із розглянутими параметрами за рахунок формування розширення та ущільненої зони складає:

- для незв'язних ґрунтів - в 2,7 рази;

- для зв'язних ґрунтів - в 6 разів.

Отримана різниця в несучій здатності для зв'язних і незв'язних ґрунтів майже в 2 рази пояснюється тим, що напруги від власної ваги ґрунту на розглянутій глибині 0,5 м незначні і у відповідності с законом Кулона міцність основи більшою мірою визначається питомим зчепленням, а не кутом внутрішнього тертя. При збільшенні глибини утворення розширення і відповідно додаткового бічного навантаження (d) відношення несучих здатностей може змінитися на користь ґрунту, що має більший кут внутрішнього тертя. Тут слід також зазначити, що створення необхідних розмірів розширення в більш міцних ґрунтах (незалежно від того, чим переважно забезпечується міцність - тертям або зв'язністю) вимагає більшої інтенсивності ущільнюючого тиску.

5. Основним недоліком запропонованої конструкції робочого органа є концентрація напруг у місці сполучення пружно-еластичної оболонки із трубою, через яку подається робоче середовище. У результаті цього при певному рівні ущільнюючих тисків відбувалося пошкодження оболонки і експериментальні дослідження доводилося припиняти. У цьому зв'язку одним зі шляхів подальшого розвитку даного методу підсилення основ є розробка більш податливого вузла сполучення пружно-еластичної оболонки із трубою, що подає робоче середовище. Це дозволить знизити концентрацію напруг і відповідно збільшити можливий діапазон ущільнюючих тисків.

6. Зі збільшенням ступеня вологості ґрунт, що ущільнюється, може перейти з маловлажного стану у вологе або з вологого у водонасичене. У деяких випадках ступінь вологості може досягати одиниці (Sr=1), тобто вода може заповнити всі пори ґрунту. У цьому випадку ущільнюючий тиск буде впливати вже не на скелет ґрунту, а на воду. При цьому подальше ущільнення буде відбуватися тільки за рахунок витиснення води, що заповнює пори. Для глинистих ґрунтів з низьким коефіцієнтом фільтрації буде потрібен тривалий вплив ущільнюючого тиску. Для піщаних ґрунтів, що досягнули повного водонасичення, подальше ущільнення може супроводжуватися зниженням вологості за рахунок витиснення порової води.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лобачева Н.Г., петраков А.А.. напряженно-деформированное состояние грунтового массива, нагруженного внутренними давлениями. - Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, 2003, с. 31 - 35.

2. Лобачева Н.Г., петраков А.А.. изменение расчетных параметров грунта основания при использовании метода уплотняющих давлений. – Будівельні конструкції. – Київ. НДІБК, 2004, с. 59-63.

3. Лобачева Н.Г. экспериментальные исследования усиления основания фундаментов уплотняющими давлениями. - Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, 2005, с. 149 - 153.

4. Лобачева Н.Г. зависимость параметров уплотненной зоны от уплотняющего давления по результатам экспериментальных исследований. - Збірник наукових праць. Вип.17. - Полтава: ПолтНТУ, 2006, с. 166 - 169.

5. Пат. №19237 UA, Е21В 11/00. “Пристрій для утворення розширення в свердловині”. Заявл.19.05.06; Опубл. 15.12.06, Бюл.№12-4 с.

6. Гавенко В.М., Шарабарин А.Г., Сухоруков К.Н., Лобачева Н.Г. Устройство для полевого определения характеристик прочности и деформируемости грунтов при их исследовании.// Зб. наук. праць Вісник ДонНАБА – Макіївка: 2005.- Вип. 2005-7(55). – с. 58-60.

АНОТАЦІЯ

Лобачева Н.Г. Підсилення основ фундаментів тисками ущільнення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 – Основи і фундаменти. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2007.

Дисертація присвячена розробці нового методу ущільнення основ фундаментів тисками ущільнення. Автором виконані розробка й теоретичне обґрунтування методу “Підсилення основ фундаментів тисками ущільнення”, проведені чисельні й експериментальні дослідження, спрямовані на перевірку працездатності й ефективності вищезгаданого методу підсилення основ фундаментів. Виконано програмну реалізацію запропонованих методик.

Ключові слова: ущільнюючі тиски, напружено-деформований стан, змішана пружньо-пластична задача, зона ущільнення, зона розширення.

THE SUMMARY

Lobachеvа N.G. Strengthening of the bases foundation condensing pressure. - Manuscript.

The thesis on the competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on a specialty 05.23.02- Bases and foundation. - the Donbass national academy of Civil Engineering and architecture the Ministry of Education and sciences of Ukraine, Makeevka,  .

The dissertation is devoted to development of a new method of compacting the bases foundation by pressure of condensation. The author executes development and theoretical substantiation of method “Strengthening of bases foundation by condensing pressure”, are carried out numerical and the experimental researches directed on check of work capacity and efficiency of the above mentioned method of strengthening of the bases foundation. Program realization of the suggested techniques is executed.

Key words: condensing pressure, the compacting, the mixed elastic - plastic task, a zone of compacting, a zone is intense - deformed.

АННОТАЦИЯ

Лобачева Н.Г. Усилений оснований фундаментов уплотняющими давлениями. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 – Основания и фундаменты. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2007.

Диссертация посвящена разработке нового метода уплотнения оснований фундаментов уплотняющими давлениями. Автором выполнены разработка и теоретическое обоснование метода “Усиление оснований фундаментов уплотняющими давлениями”, проведены численные и экспериментальные исследования, направленные на проверку работоспособности и эффективности вышеназванного метода усиления оснований фундаментов.

Первый раздел посвящен анализу состояния вопроса и уровня научных достижений в области улучшения строительных свойств грунтов. Рассмотрены современные тенденции развития оснований и фундаментов с уплотнением грунта.

Второй раздел посвящен разработке и теоретическому обоснованию метода “Усиление оснований фундаментов уплотняющими давлениями”. Рассмотрены теоретические предпосылки формирования уплотненной зоны вокруг источника внутреннего давления, приведена технологическая последовательность усиления основания уплотняющими давлениями.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям в ходе которых была выполнена проверка работоспособности и эффективности метода “Усиление оснований фундаментов уплотняющими давлениями”. По результатам проведенных испытаний были определены осредненные диаметры уширения и зоны уплотнения, полученные при помощи внутреннего давления, а также выяснены изменения физико-механических свойств грунтов зоны уплотнения.

В четвертом разделе выполнен анализ напряженно-деформированного состояния грунтового массива, загруженного внутренними давлениями, путем решения смешанной упругопластической задачи в условиях плоской деформации методом конечных элементов.

В пятом разделе определена область применения предложенного метода и даны рекомендации по технологии устройства, также приведены методика расчета несущей способности основания и методика определения размеров уширения и уплотненной зоны, усиленного методом уплотняющих давлений. Представлены результаты апробации при защите ряда объектов на слабых грунтах.

Ключевые слова: уплотняющие давления, напряженно-деформированное состояние, смешанная упругопластическая задача, зона уплотнения, зона уширения.