Исследование сопротивления вертикальным нагрузкам бипирамидальных свай

aМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ВИННИЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Эль Асади Фади

УДК 624.154

Исследование сопротивления вертикальным

нагрузкам бипирамидальных свай

Специальность 8.0921 - «Строительство».

Диссертация на соискание ученой степени

магистра

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор Друкованый М.Ф.

Винница - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление ...................................................................................

Раздел 1. Аналитический обзор состояния вопроса .....................

1.1. Применение коротких свай в промышленном и

гражданском строительстве ...........................................

1.2. Методы расчета сопротивления коротких

забивных свай ................................................................

1.3. Применения численных методов расчета свай

и свайных фундаментов ..................................................

Задачи исследований ............................................................

Раздел 2. Применение МГЭ в расчетах сопротивления

бипирамидальных свай .....................................................

2.1. Общий алгоритм определения сопротивления

бипирамидальных свай вертикальным нагрузкам с

использованием МГЭ ......................................................

2.2. Расчет бипирамидальных свай на ЭВМ ..........................

2.2.1. Структура программы .........................................

2.2.2. Дискретизация поверхности сваи .......................

2.2.3. Формирование матрицы коэффициентов

влияния и свободных коэффициентов СЛАУ ...

2.2.4. Определение напряжений на поверхности

сваи ......................................................................

2.2.5. Определение общего сопротивления сваи ........

Раздел 3. Результаты теоретических исследований

сопротивления бипирамидальных свай ..........................

Общие выводы ..............................................................................

Список использованной литературы ..............................................

Приложение А…………………………………………………………….

Приложение Б……………………………………………………………..

Вступление

В промышленном и гражданском строительстве широко приме-няются фундаменты мелкого заложения, которые устраиваются на грунтах природной структуры. Вместе с тем, на основании сравнения технико-экономических показателей вариантов фундаментов мелкого заложения и фундаментов из коротких свай призматической формы вы-явлено, что свайные фундаменты экономичнее, если глубина заложения фундаментов на естественном основании больше 1,7 ... 2,0 м. В связи с этим, забивные сваи нашли широкое применение в жилищном строи-тельстве. При возведении жилых зданий в большинстве областных цен-тров Украины применение забивных свай составляет 80%, а фундамен-тов мелкого заложения 20%. Однако, сваи призматической формы при взаимодействии боковой поверхностью с окружающим грунтом, пере-дают незначительные нагрузки. Силы трения мобилизуются не в пол-ной мере, так как при забивке свай, в её верхней части, имеются зазоры на контакте боковой поверхности с грунтом. Кроме того, поверхность сваи не имеет угла наклона к вертикали, т. е. нет условий для формиро-вания нормальной составляющей усилия, действующего на сваю.

Как показывает опыт применения пирамидальных свай, конструк-ции разработанной в Одесском инженерно-строительном институте, их эффективность выше призматических, за счет устранения зазора на контакте и создания нормальных сил при наклоне граней боковой по-верхности к вертикали 7 - 11%.

Пирамидальные сваи имеют эффективное применение при возве-дении гражданских зданий и жилых домов, высотой до 5-и этажей, а также при возведении сельскохозяйственных объектов. Удельное со-противление пирамидальных свай (т. е. отношение нагрузки к объему погруженной части сваи) в 2 ... 3 раза выше чем призматических свай.

Опыт применения призматических свай с забивными оголовками позволил выяснить, что несущая способность такой сваи возрастает не только за счет увеличения площади (забивного оголовка), но изменятся и условия работы грунта, примыкающего к боковой поверхности сваи, силы трения реализуются больше.

В этом направлении развития эффективной сваи выполнены на-чальные исследования, на основании которых разработана конструкция бипирамидальной сваи. Удельное сопротивление бипирамидальных свай в 2,0 ... 2,5 раза больше пирамидальных свай и в 4,0 ... 5,0 раз больше сопротивления призматических свай. Однако, широкое внедре-ние бипирамидальных свай в строительство сдерживается из-за отсут-ствия надежных методов расчета. В настоящее время, действительную работу свай и их оснований возможно решить путем использования ус-ложненных расчетных схем взаимодействия системы "свая-основание". Для этого как правило используют современные численные методы: метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ).

Раздел 1. Аналитический обзор состояния вопроса

1.1. Применение коротких свай в промышленном и гражданском строительстве

В настоящее время в промышленном и гражданском строительст-ве находят применение свайные фундаменты из свай призматической, пирамидальной формы, а также сваи с забивными оголовками в верх-ней части.

Исследования с помощью различных методик, совместной работы свай призматической и цилиндрической формы с основаниями, позво-лили выявить характерные особенности их взаимодействия с основани-ем.

Наиболее важными факторами, которые оказывают существенное влияние на общее сопротивление по боковой поверхности свай верти-кальным нагрузкам является снижение сопротивления по боковой по-верхности сваи вследствие образования зазора между верхней частью сваи и грунтом и особенностей взаимодействия острия сваи с уплот-ненным грунтом. И хотя приведенные выше исследования имели ко-нечный целью разработку расчетной модели сваи с учетом основных факторов, влияющих на несущую способность свай, их результаты могут быть положены в основу для совершенствования конструкции висячие сваи. Наиболее целесообразным направлением при этом будет иметь выбор такой формы сваи, которая способствовала бы устранению факторов, снижающих несущую способность сваи.

Как показывает дальнейший анализ, в настоящее время, фунда-ментами, которые в той или иной мере отвечают приведенным выше условиям являются:

- пирамидальные сваи, при погружении которых не возникает зазор вдоль боковых граней;

- сваи с забивными оголовками, которые также позволяют устра-нить возможность появления зазора вдоль боковой поверхности сваи и увеличить сопротивление сваи по боковой поверхности за счет взаимо-действия оголовка сваи.

Исследования явлений, возникающих в грунте при забивке и осад-ке под нагрузкой коротких свай призматической и пирамидальной фор-мы, позволили изучить факторы, которые отрицательно влияют на по-казатель совместной работы сваи и основания.

Эти факторы в основном имеют место в верхней части сваи и ука-зывают на то, что в этой области возможности сопротивления грунта используются не полностью из-за конструктивных особенностей и со-стояния грунта.

Вышеуказанные недостатки можно попытаться устранить исполь-зовав такую конструкцию сваи, в которой грунт в верхней части в дос-таточной степени уплотнялся и участвовал в работе при загружении. В связи с этим, представляет интерес опыт применения и исследования работы свай с забивными уширениями в виде опорного кольца, шайбы, плиты, насадки, а также сваи с уширениями по стволу и вблизи острия.

Гнатенко-Гонта С.П. [1] отмечает, что применение забивной сваи с уширением позволяет производить уплотнение того или иного слоя грунта и может быть эффективно использовано для устранения проса-дочных свойств отдельных слоев грунта. При этом установлено, что в грунтах естественной влажности несущая способность сваи с утолще-нием в 1,8 - 2,2 раза больше чем у призматических. При замачивании основания осадки свай с местным уширением меньше чем призматиче-ских свай без утолщения.

Весьма полезным при строительстве опор моста оказалось приме-нение утолщения по стволу призматической сваи (Коломийцев В.В.) с целью увеличения несущей способности за счет передачи нагрузки на более плотную прослойку грунта. Устройство уширения позволило уве-личить несущую способность сваи на 30%. Автор отмечает, что для улучшения работы свай на горизонтальную нагрузку ниже уширения сваи предусмотрена рабочая часть сваи длиной 1,5 м.

Луга А.А. [2] отмечает, что в слабых илисто-глинистых грунтах, при большой толще этого слоя рационально применение свай с уши-ренной пятой с целью сокращения затрат времени на погружение, по сравнению с обычными длинными сваями и экономии материалов.

Исследования несущей способности сваи с забивной пятой, в зна-чительном объеме, выполнены Колоколовым Н.М., Луга А.А., Платоно-вым Н.М., Рыбчинским В.П. [3]. Несущая способность свай, которые имели различную конструкцию