Совершенствование метода расчета колебаний свайного фундамента с учетом взаимодействия ростверка с грунтом
На правах рукописи
Колесников Алексей Олегович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА КОЛЕБАНИЙ
СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА С УЧЕТОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
РОСТВЕРКА С ГРУНТОМ
Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск – 2005
Работа выполнена в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (СИБСТРИН).
Научный руководитель кандидат технических наук,
доцент
Нуждин Леонид Викторович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Полищук Анатолий Иванович
кандидат технических наук,
доцент
Караулов Александр Михайлович
Ведущая организация ОАО «Сибирский энергетический научно-технический центр». «Новосибирсктеплоэлектропроект» г. Новосибирск
Защита состоится 7 декабря 2005 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.265.02 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, студенческий читальный зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 2 ноября 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Недавний О.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Свайные фундаменты широко используются при строительстве как обычных зданий и сооружений, так и под машины с динамическими нагрузками.
Применение свайных фундаментов в условиях динамического нагружения позволяет не только использовать эти конструкции в сложных грунтовых условиях, но и способствует более интенсивному снижению уровня колебаний за счет регулирования жесткости системы, а также позволяет значительно снизить материалоемкость по сравнению с фундаментами на естественном основании.
Однако, при расчете колебаний свайных фундаментов, все существующие методики, как правило, рассматривают только взаимодействие свай с грунтом. Влияние заглубления ростверка и его взаимодействие с грунтом на жесткостные и демпфирующие свойства системы «основание – свайный фундамент» не учитываются, хотя подавляющее большинство фундаментов под машины являются заглубленными.
Учет заглубления ростверка в окружающий грунт позволит повысить точность расчетов колебаний свайных фундаментов под действием динамических нагрузок, способствуя, тем самым, повышению их надежности и экономичности, а также оптимизации конструкции и размеров.
Объектом исследований являются свайные фундаменты с заглубленным ростверком, подверженные действию динамических нагрузок.
Предметом исследований является волновое взаимодействие ростверка с грунтом при колебаниях свайного фундамента.
Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании метода расчета колебаний свайных фундаментов под машины с учетом заглубления ростверка в грунт.
В соответствии с целью работы решались следующие задачи:
- Исследовать волновые процессы в системе «заглубленный ростверк – грунт» при различной конструкции фундамента, количестве свай, способе их сопряжения с ростверком, состоянии окружающего грунта, характера динамической нагрузки;
- Установить степень влияния геометрических характеристик ростверка на параметры колебаний свайного фундамента;
- Разработать способ расчета колебаний свайных фундаментов, обеспечивающий более надежные результаты за счет учета заглубления;
- Выполнить опытно-промышленную апробацию результатов диссертационных исследований по снижению уровня вибрации фундаментов промышленного назначения, предназначенных для работы под машины с динамическими нагрузками.
Методы исследования основаны на использовании современных научных положений теории фундаментостроения и включали в себя изучение научно-технической литературы по исследуемому вопросу, проведение экспериментов в лаборатории, на опытном полигоне, в натурных условиях, анализ и теоретическое обобщение полученных результатов, осуществляемое с привлечением аппарата теории колебаний, механики грунтов, теории упругости.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- В аналитическом виде получено решение задачи о колебаниях системы «свайный фундамент с заглубленным ростверком – грунт», которое конкретизировано для прямоугольной формы заглубленных ростверков;
- Установлено, что на величину амплитуд и резонансных частот колебаний ростверка свайного фундамента наибольшее влияние оказывают степень его заглубления, причем наиболее сильное влияние проявляется при горизонтальных колебаниях, когда увеличение площади контактирования боковых граней ростверка с окружающим грунтом может приводить к снижению амплитуд колебаний вплоть до пяти раз;
Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспечивается выполнением исследований с применением современного экспериментального оборудования, стабильностью получаемых в опытах результатов, использованием общепринятых в динамике свайных фундаментов моделей, гипотез и допущений, более точным, чем у традиционных методов расчета, совпадением получаемых результатов с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы состоит в разработке инженерного метода расчета колебаний свайных фундаментов с заглубленным ростверком.
Использование результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы энергетическими предприятиями г.г. Новосибирска и Якутска. Это позволило увеличить точность определения параметров колебаний и почти до двух раз снизить существовавший уровень вибрации фундаментов под машины с динамическими нагрузками (на Новосибирской ТЭЦ-5 при работе мельничного оборудования для размола углей Кузбасса, на Якутской ГРЭС при работе турбины ГТЭ-12), тем самым повысить надежность и срок службы строительных конструкций и машин, а также улучшить условия работы обслуживающего персонала. Установленные закономерности, разработанные математические зависимости используются в учебном процессе.
Личный вклад автора состоит:
- в обосновании методики учета взаимодействия заглубленного ростверка с грунтом при колебаниях свайного фундамента;
- в оценке влияния степени заглубления ростверка прямоугольной формы на параметры колебаний фундаментов при вертикальном, горизонтальном и вращательном воздействиях;
- в определении аналитических зависимостей, характеризующих систему «свайный фундамент с заглубленным ростверком - грунт» при динамических воздействиях;
- в программной реализации методики по расчету колебаний свайных фундаментов с заглубленным ростверком различной формы;
- в проведении экспериментов в лаборатории, на опытном полигоне, в натурных условиях с использованием разработанного им оборудования, анализе и обобщении результатов исследований.
На защиту выносятся:
- Результаты экспериментальных исследований заглубленных свайных фундаментов в лаборатории, на опытном полигоне и в натурных условиях;
- Методика расчета колебаний свайных фундаментов с учетом взаимодействия ростверка с грунтом;
- Расчетные зависимости для определения параметров жесткости и демпфирования заглубленного свайного ростверка прямоугольной конфигурации.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на 2-ой и 3-ей Международных научно-технических конференциях по современным проблемам фундаментостроения (Волгоград, 2001, 2003); на 4-ой и 5-ой Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (Сочи, 2001, 2003); на научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (Томск, 2002); на Международной конференции по геотехнике «International conference on coastal geotechnical engineering in practice» (Атырау, 2002); на Международном центрально-азиатском геотехническом симпозиуме «Проблемы геотехники в современном строительстве» (Самарканд, 2002); на Международной конференции по промышленному и гражданскому строительству «ISEC-02 System-based Vision for Strategic and Creative Design» (Италия, Рим, 2003); на Международной конференции по геологии и геотехнике (Баку, 2003); Международной научно-технической конференции «Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах» (Архангельск, 2003); на Международном геотехническом симпозиуме «Фундаментостроение в сложных инженерно-геологических условиях» (Санкт-Петербург, 2003); на 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2003); на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004); на 57-62 научно-практических конференциях НГАСУ на секции «Актуальные проблемы инженерной геологии, оснований и фундаментов» (Новосибирск, 2000-2005); на межвузовских научно-студенческих конференциях «Современные проблемы технических наук» (Новосибирск, 2000-2001).
Публикации. По теме диссертации автором опубликована 21 научная работа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 210 наименований и 2 приложений. Она изложена на 122 страницах основного текста и содержит 82 рисунка и 3 таблицы.
Работа выполнялась в соответствии с НИР НГАСУ по гранту 03.03.081 «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограммы 211 «Архитектура и строительство» код
ГРНТИ 67.11.29.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении проводится обзор рассматриваемой проблемы, анализируется ее степень разработанности в современной отечественной и зарубежной литературе, обосновывается актуальность работы, определяются цель и задачи исследования, формулируются защищаемые положения, представляются теоретические и практические результаты исследования и показывается научная новизна полученных результатов.
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
В первой главе проводится анализ состояния вопроса. Показано, что, начиная с середины прошлого века, в связи с интенсификацией производства и наращиванием промышленных мощностей, активно развивается наука о колебаниях свайных фундаментов. Интенсивно развиваются и различные методики по их расчету. Наиболее известными являются работы А.Т. Аубакирова, Д.Д. Баркана, М.И. Забылина, В.А. Ильичева, Л.П. Карабановой, М.М. Клатцо, П.П. Кульмача, С.К. Лапина, В.Н. Леличенко, В.И. Манойлина, Ю.В. Монголова, Л.В. Нуждина, О.А. Савинова, А.А. Санникова, П.И. Смирнова, Л.Р. Ставницера, Г.Н. Степанова, В.М. Шаевича, О.Я. Шехтер и др. Из зарубежных авторов необходимо отметить работы F.C.P De Barros, M.G. Dawance, G. Gazetas, M. Guillot, Y. Han, T. Kagawa, I. Kraft, M. Leland, G. Li, J.E. Luco, X. Luo, Y. Murono, T. Nogami, M. Novak, E. Rausch, S.-P.Shang, H. Takemiya, H. Tajimi, S. Tanamura, Y.-S. Wang, Y. Yamada и др.
Анализ литературных источников показывает, что достаточно хорошо динамическое поведение свайных фундаментов описывают волновые модели. В этих моделях фундамент рассматривается в виде тела, опирающегося на полупространство, которое испытывает волновое движение под действием колеблющегося тела. Волны рассеиваются в полупространстве с геометрическим и диссипативным характером затухания. Механические показатели грунта характеризуются модулями упругого сжатия, сдвига и коэффициентом Пуассона. Свойства системы «основание – свайный фундамент» в этих моделях описываются обобщенными параметрами жесткости и демпфирования. Однако при определении этих параметров допускаются неточности, связанные с неучетом отдельных факторов при описании колебательного процесса, таких как: заглубление ростверка в окружающий его грунт, геометрическая форма заглубленного ростверка и других. Сделан вывод о необходимости проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований для изучения этих факторов и разработке более строгих методов расчета колебаний свайных фундаментов.
Глава 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛЕБАНИЙ
СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ЗАГЛУБЛЕННЫМ РОСТВЕРКОМ
Во второй главе проводятся теоретические исследования колебательных процессов свайных фундаментов с учетом волнового взаимодействия ростверка с грунтом. Фундамент рассматривается в виде стержневой системы, объединенной поверху жестким ростверком. Отдельно рассматривались его вертикальные, горизонтальные и вращательные колебания. Для каждого вида колебаний предложено определять динамические параметры системы «основание – свайный фундамент с заглубленным ростверком» с учетом взаимодействия ростверка с грунтом по боковой поверхности, используя принцип суперпозиции, путем суммирования соответствующих динамических параметров свайного основания и свайного ростверка
, 
, (1)
, 
, (2)
, 
, (3)
,
, (4)
где 
, 
- параметры жесткости и демпфирования заглубленного ростверка, 
, 
- параметры жесткости и демпфирования одиночной сваи, 
- расстояние от оси вращения ростверка до i-ой сваи; n – количество свай в фундаменте.
Динамические параметры жесткости и демпфирования свайного ростверка определяются только по боковой поверхности. По подошве ростверка эти параметры для большинства свайных фундаментов (эксплуатирующихся в нормальных условиях) можно не учитывать. Это следует из исследований ряда авторов (М.И. Забылин, С.В. Линовский, Л.В. Нуждин и др.), которые показывают, что в процессе колебаний происходит нарушение контакта между подошвой ростверка и грунтом.
Для определения параметров жесткости и демпфирования по боковой поверхности ростверк рассматривался в виде призматического тела, не теряющего в процессе колебаний контакта с окружающим грунтом (рис.1). Грунт в пределах боковой поверхности ростверка был представлен как совокупность бесконечно тонких независимых пластин, по которым в различных направлениях распространяются упругие волны.
Рис.1. Расчетные схемы заглубленного ростверка для определения параметров
жесткости демпфирования вертикальных (а) и сдвиго-вращательных (б) колебаний
С учетом вышеизложенного параметры жесткости и демпфирования свайного ростверка по боковой поверхности вычисляются
, 
, 
, 
, (5)
, 
, 
, 
.
, 
; 
, 
; (6)
;
;
, 
,
где Vs0 – скорость поперечных волн в грунте, прилегающем к боковой поверхности ростверка; d – глубина заложения подошвы ростверка; h – расстояние от центра тяжести ростверка до подошвы; 0 – плотность грунта обратной засыпки; r – половина большей стороны ростверка или эквивалентный радиус. Связь между перемещениями ростверка и реакциями по его боковой поверхности 
, 
, 
определяется из рассмотрения задачи о колебаниях пластины с недеформируемым вырезом. В качестве первого подхода предлагается использовать зависимости, полученные В.А. Барановым для пластин с круглым вырезом.
Рис.2. Схема: а) вертикальных; б) горизонтальных; в) вращательных
колебаний бесконечно тонкого слоя с прямоугольным вырезом
Учитывая, что практически все ростверки имеют форму, отличающуюся от цилиндрической, для повышения точности вычислений был рассмотрен другой подход. С этой целью, используя выражения, полученные для круглого выреза, определялись напряжения в некоторых характерных точках прямоугольного выреза. Этими точками явились точки вписанной и описанной в прямоугольник окружностей (рис.2).
По ним оценивались максимальные и минимальные напряжения, возникающие на контуре в зависимости от рассматриваемых смещений – вертикальных, горизонтальных и вращательных. Далее, используя линейное приближение, оценивались реакции на всем контуре.
Так при вертикальных колебаниях (рис.2,а), если представить размеры прямоугольника ab через характерный радиус выреза r0: =b/a, 
, 
, 
, равнодействующая слоя единичной толщины, приложенная к боковой поверхности ростверка, определяется
,
где действительная 
и мнимая 
безразмерные части
, (7)
, (8)
в которых 
, Jn и Yn – функции Бесселя.
При горизонтальных колебаниях (рис.2,б) равнодействующая контура определяется как 
,
где
,
,
, 
.
В случае 
, используя выражения для 
, 
, приходим к
,
,
где Hn – функции Ганкеля.
Безразмерные параметры для торцевой и обратной стороны выреза определяются в виде
, (9)
, (10)
а для боковых сторон
, (11)
. (12)
При вращательных колебаниях (рис.2,в), момент пары 
определяется выражением
,
где
,(13)
. (14)
На основании полученных зависимостей (7)-(14) был проведен сравнительный расчет функций для круглого и прямоугольного выреза с различным соотношением сторон, при этом площади вырезов были одинаковы. Было установлено, что наиболее близкие результаты между круглым вырезом и прямоугольным достигаются при соотношении сторон прямоугольного выреза равным единице, их различие составляет около 10%. При соотношении сторон равным четырем различие достигает 100%.
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ЗАГЛУБЛЕННЫМ РОСТВЕРКОМ
В третьей главе описывается методика проведения, и оцениваются результаты экспериментальных исследований по изучению влияния заглубления ростверка на колебания свайных фундаментов. Исследования проводились в лаборатории, на опытном полигоне и в натурных условиях.
Схема проведения экспериментов в лаборатории, на опытном полигоне и в натурных условиях была одинакова. Были выполнены серии экспериментов динамического нагружения для различных вариантов взаимодействия (контакта) боковых поверхностей ростверка с окружающим его грунтом, в зависимости от: конструкции фундамента (свайного или, для сравнения – мелкого заложения), условий закрепления свай в ростверке, количества свай в ростверке, характера размещения свай в плане, плотности сложения грунта обратной засыпки. Динамическая нагрузка в вертикальном и горизонтальном направлениях создавалась двухвальным вибратором, устанавливаемым на испытуемый фундамент. В процессе исследований проводилась регистрация амплитуд колебаний ростверка и перемещений ствола сваи при вертикальном и горизонтальном действии возбуждающих сил. Для измерения и регистрации параметров колебаний использовалась виброизмерительная установка, в состав которой входили внешний модуль АЦП, комплекты вибродатчиков, набор соединительных проводов и персональный компьютер. Для регистрации изгибающих моментов в стволе свай применялась тензометрическая установка, состоящая из тензометрированных свай, набора соединительных проводов и также - персонального компьютера. В каждой серии испытаний измерения проводились, в области линейных колебаний, в диапазоне частот от 0 до 45 Гц, когда соотношение динамической и статической нагрузок не превышало 0.2. Модельные исследования соответствовали принципам простого подобия.
В лаборатории исследования проводились в грунтовом лотке размерами 3.03.02.0 м. Лоток заполнялся мелкозернистым воздушносухим песком с соблюдением требований по его равномерному уплотнению. В качестве испытуемого фундамента использовался металлический ростверк 0.710.710.80 м с моделями свай диаметром 42 мм и длиной 840 мм. Сваи изготовлялись из металлических труб с толщиной стенки 2.8 мм. Конструкция ростверка предусматривала жесткое и шарнирное закрепление свай и позволяла изменять контакт с грунтом по боковой поверхности. Модель фундамента состояла из пяти или девяти свай. Расстояние между осями соответствовало их шести диаметрам, что обеспечивало получение результатов без взаимного влияния свай в кусте. Для регистрации динамических напряжений одна из свай тензометрировалась. Исследовались различные варианты взаимодействия (контакта) боковых поверхностей ростверка с окружающим грунтом при различном количестве опытных свай.
Рис.3. Формирование условий контактирования ростверка с грунтом
Устройство зазора между ростверком и грунтом производилось ступенчато, по 1/3 высоты ростверка. Одновременно с устройством зазора опускалась металлическая обойма, препятствующая осыпанию грунта. Аналогично устраивалась и обратная засыпка (рис. 4).
Рис.4. Схема устройства взаимодействия боковых граней ростверка с грунтом
Эксперименты на опытном полигоне выполнялись с использованием двух фундаментов – свайного и фундамента мелкого заложения. Оба фундамента имели одинаковые габаритные размеры 1.01.01.0 м. Опытный свайный фундамент имел монолитный железобетонный ростверк, опирающийся на 4 сваи диаметром 114 мм с рабочей длиной 2 м. Сваи изготавливались из металлических труб с толщиной стенки 4 мм. Расстояние между осями свай, так же, как и в лабораторном эксперименте, было равным шести диаметрам. Для регистрации динамических напряжений одна из свай тензометрировалась. Сваи имели жесткую заделку в теле ростверка. Опалубкой при бетонировании служили тщательно выровненные стенки котлована. Аналогично свайному, изготовлялся фундамент мелкого заложения. В геологическом строении полигона до глубины 9.3 м принимали участие лессовидные маловлажные твердые супеси, подстилаемые полутвердыми суглинками. Грунтовые воды на площадке отсутствовали. На опытных фундаментах проводилось несколько серий экспериментов при трех вариантах взаимодействия боковых поверхностей фундаментов с окружающим грунтом:
Рис.5. Общий вид опытного свайного фундамента
- Боковые поверхности фундаментов соприкасались непосредственно с естественным грунтом;
- Контакт боковых поверхностей фундаментов с грунтом отсутствовал: отдельно рассматривалось взаимодействие ростверка свайного фундамента с грунтом для изучения сил лобового сопротивления грунта. Выемка грунта производилась по 0.25d в два этапа – сначала откапыванием двух противоположных граней, затем откопкой по всему периметру.
- Боковые поверхности фундаментов взаимодействовали с окружающим грунтом через интенсивно утрамбованную обратную засыпку, различной степени уплотнения.
В натурных условиях испытания проводились на одной из строительных площадок города Новосибирска. Геологический разрез площадки был представлен: насыпным грунтом из супеси с включением битого кирпича мощностью 1,5 м; супесью пылеватой с прослоями суглинка мощностью до 2,5 м; суглинком легким пылеватым с прослоями супеси мощностью до 10 м. Опытный фундамент представлял собой монолитный железобетонный ростверк стаканного типа с размерами 1.21.21.0 м на двух сборных железобетонных сваях С6-30. Расстояние между осями свай составляло 0.9 м. Эксперименты выполнялись для двух случаев: при заглубленном ростверке – с полным контактом боковых граней с грунтом и для откопанного ростверка, лежащего на грунте (рис.7).
Рис.7. Свайный фундамент с заглубленным ростверком (слева)
и при отсутствии контакта боковых граней с грунтом (справа)
Результаты экспериментов, проведенных в лаборатории, на опытном полигоне и в натурных условиях, позволили построить резонансные кривые для всех испытуемых фундаментов от 0 до 45 Гц.
Рис.8. Влияние заглубления ростверка
на амплитуды колебаний свайного фундамента
Анализ полученных данных подтверждает выводы о том, что заглубление ростверка (контакт его боковых граней с окружающим грунтом), оказывает существенное влияние на динамическое поведение свайного фундамента. Увеличение заглубления ростверка приводит к некоторому повышению резонансных частот и заметному снижению амплитуд колебаний. Наиболее ощутимо это сказывается при горизонтальных колебаниях свайного фундамента. При полной откопке ростверка амплитуды горизонтальных колебаний, в случае полунатурных испытаний, увеличивались до 5 раз (рис.8). Влияние грунта ненарушенной структуры, взаимодействующего с боковыми гранями фундамента, более значительно, чем при соприкосновении их с грунтом обратной засыпки. В связном грунте, несмотря на тщательное уплотнение засыпки пазух грунтом нарушенной структуры, зарегистрированные амплитуды колебаний при различном уровне заглубления ростверка всегда были больше аналогичных значений для грунта ненарушенной структуры. Эффективность влияния обратной засыпки на параметры колебаний фундаментов зависит от динамических свойств основания и увеличивается пропорционально степени ее уплотнения (рис.9).
Рис.9. Резонансные кривые колебаний свайного фундамента при использовании грунта обратной засыпки (сплошные линии) и грунта ненарушенной структуры (пунктир) для различных случаев заглубления ростверка
При взаимодействии боковых поверхностей ростверка с грунтом, наибольшее значение имеют силы лобового сопротивления, действующие по граням, перпендикулярным направлению колебаний, тогда как касательные играют лишь вспомогательную роль (рис.10).
Рис.10. Резонансные кривые колебаний свайного фундамента при наличии полного (сплошные линии) или только лобового сопротивления грунта (пунктир)
На любой стадии заглубления свайные фундаменты снижают колебания более эффективно, чем фундаменты мелкого заложения, что связано с наличием увеличенной жесткости свайного основания за счет включения в работу свай.
Увеличение количества свай в ростверке приводит к повышению жесткости основания, и, следовательно, к снижению амплитуд колебаний в любой точке частотного диапазона.
Конструкция закрепления свай в ростверке также оказывает заметное влияние на характер амплитудно-частотных характеристик динамического процесса системы. Установлено, что изменение способа заделки свай (с шарнирного на жесткий) приводит к значительному снижению амплитуд колебаний. Экспериментами была установлена зависимость уровня колебаний свайного фундамента от способа размещения свай в кусте. Определено, что при одинаковом количестве свай в ростверке, но различном их размещении по отношению к направлению действующей динамической нагрузки, амплитуды колебаний фундаментов различны. В этом случае, при одном и том же количестве свай в кусте, определяющую роль играет сопротивление свайного основания сдвигающим и моментным нагрузкам.
Рис.11. Изгибающие моменты в сваях кустов из девяти и пяти свай
при шарнирном закреплении (а), жесткой заделке (б)
При изменении площади взаимодействия ростверка с грунтом происходит также изменение внутренних усилий в стволе сваи (рис.11) – с увеличением упомянутой площади уменьшаются изгибающие моменты и поперечные силы. Это наблюдалось и при различном способе закрепления свай в ростверке, и при изменении количества свай в фундаменте.
Для получения комплексных результатов использовались тензо- и виброизмерительные установки на базе внешнего модуля АЦП Е-330 (L-CARD). С их помощью регистрировались динамические перемещения в стволах тензометрированных свай и параметры колебаний заглубленных фундаментов. Результаты экспериментов позволили сделать качественный анализ динамического поведения свайных фундаментов с учетом взаимодействия ростверка с грунтом. Выполнена оценка влияния на параметры колебаний отдельных факторов - таких как заглубление ростверка, конструкция фундамента, количество свай и способ их заделки в ростверке, ориентация свайного куста по отношению к направлению колебаний. Установлено, что одним из определяющих факторов является заглубление ростверка. В то же время, изменением количества свай в ростверке и изменением ориентации ростверка по отношению к направлению возмущений, можно добиться существенного снижения амплитуд колебаний. Получены данные, необходимые для разработки практических методов расчета заглубленных свайных фундаментов при действии на них динамических нагрузок.
Глава 4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА КОЛЕБАНИЙ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ЗАГЛУБЛЕНИЯ
В этой главе изложены практические методы расчета колебаний заглубленных свайных фундаментов и проведено сопоставление получаемых результатов с экспериментальными данными.
Представлена методика вычисления динамических характеристик, основанная на эмпирических зависимостях скоростей упругих волн от простейших видовых признаков, физических показателей и статического давления в грунте.
Разработан программный комплекс для расчета колебаний заглубленных свайных фундаментов с учетом прямоугольной формы в плане, который включает программы для определения параметров жесткости и демпфирования заглубленного свайного фундамента с учетом его реальной геометрической формы (1); для расчета амплитуд всех форм колебаний заглубленного свайного фундамента (2). Разработанный программный комплекс позволяет выполнять расчеты колебаний как проектируемых, так и уже существующих фундаментов. Степень использования программного обеспечения зависит от поставленной задачи, наличия и полноты исходной информации. С помощью программного обеспечения проведен анализ влияния факторов заглубления и геометрической формы на параметры жесткости и демпфирования свайного фундамента, аналогичного полунатурному. В результате сделаны выводы о существенном влиянии этих факторов. Сопоставление получаемых результатов расчета и экспериментальных данных проводилось для одного опытного и одного натурного фундаментов. Установлено, что волновые модели свайных фундаментов и разработанные на их основе методы расчета с достаточной точностью описывают действительное динамическое поведение свайных фундаментов с учетом взаимодействия ростверка с грунтом (рис.12). Результаты статистической обработки данных экспериментальных исследований (1) и расчетов по предлагаемой методике (2), а также - по СНиП 2.02.05-87 «Фундаменты машин с динамическими нагрузками» (3), сведены в таблицу.
| Фундамент | Характеристика | Эксперимент (1) aэксп | Расчет по моделям | |
| Волновая модель (2) | СНиП (3) | |||
| Опытный | az/ aэксп | 1.00 | 4.35 | 7.88 |
| ax/ aэксп | 1.00 | 3.91 | 5.64 | |
| Натурный | az/ aэксп | 1.00 | 3.32 | 8.11 |
| ax/ aэксп | 1.00 | 4.06 | 9.73 | |
Рис.12. Резонансные кривые колебаний опытного заглубленного
свайного фундамента
По результатам сравнения можно сделать вывод о возможности и экономической целесообразности практического применения разработанных методов расчета.
В ПРИЛОЖЕНИЯХ к диссертации представлены пример программы расчета опытного полунатурного фундамента по разработанной методике и документы о внедрении результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- В результате выполненных исследований получены новые данные о взаимодействии ростверка с грунтом при колебаниях свайных фундаментов; дана количественная оценка этого взаимодействия при различной конструкции фундамента, количестве свай, способе их сопряжения с ростверком, состоянии окружающего грунта, в том числе обратной засыпки пазух при действии различных динамических нагрузок.
- Установлено, что
- изменение площади контактирования боковой поверхности ростверка с грунтом оказывает существенное влияние на величины амплитуд и резонансных частот колебаний;
- изменение площади контактирования боковой поверхности ростверка с грунтом влияет на величины внутренних усилий в стволе свай; увеличение этой площади приводит к уменьшению изгибающих моментов, что наблюдается при различном количестве свай, независимо от способа их сопряжения с ростверком;
- при устройстве ростверка в связных грунтах враспор, амплитуды его колебаний имеют значение до двух раз меньше, по-сравнению с фундаментом с обратной засыпкой пазух;
- определяющее влияние на горизонтальную составляющую колебаний ростверка имеют силы лобового сопротивления грунта – вплоть до 90%.
- Предложены зависимости по определению параметров жесткости и демпфирования фундамента с заглубленным ростверком, а также получены аналитические выражения для определения этих параметров для свайного ростверка круглой и прямоугольной формы в плане. Выполнены расчеты динамических параметров основания для ростверков различной конструкции.
- Разработана методика расчета колебаний свайных фундаментов, обеспечившая совершенствование существующих методов расчета за счет учета заглубления ростверка. Эта методика оформлена в виде программы расчета для персонального компьютера.
- Апробация результатов исследований в промышленных условиях подтвердила значимость выполненной работы и достаточную корректность предложенного метода расчета, полученного на основе анализа и обобщения экспериментальных данных.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. Учет взаимодействия ростверка с грунтом при работе свайных фундаментов на динамические воздействия // Проблемы геотехники в современном строительстве: Тр. II центр.-азиат. геотехн. симпоз. – Самарканд, 2002. – С.109-112.
- Nuzhdin L.V., Kolesnikov A.O., Genze P.A. Definition of dynamic characteristics of grounds for the account of pile foundations on wave loadings. – Proceedings of the international conference on coastal geotechnical engineering in practice, Atyrau, 2002, pp.112-115. (Нуждин Л.В., Колесников А.О., Гензе П.А. Определение динамических характеристик грунтов для расчета свайных фундаментов на волновые нагрузки).
- Нуждин Л.В., Попов В.Н., Колесников А.О. Вертикальные колебания бесконечной пластины с прямоугольным вырезом // Современные проблемы фундаментостроения: Мат. межд. науч.-техн. конф. Ч.3-4. – Волгоград: ВолгГАСА, 2001. – С.72-75.
- Нуждин Л.В., Линовский С.В., Колесников А.О. Экспериментальные исследования взаимодействия ростверка с грунтом при колебаниях свайного фундамента // Архитектура и строительство: Тез. докл. науч.–техн. конф. – Томск: Изд. ТГАСУ, 2002. – С. 123-124.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О., Попов В.Н. Симметричные депланационные колебания пластины с недеформируемым прямоугольным вырезом // Тез. докл. IV Росс. нац. конф. по сейсмостойкому стр-ву и сейсмическому районированию с межд. уч. – М.: Изд. ПОЛТЕКС, 2001. – С.65.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. Влияние заглубления ростверка на колебания свайного фундамента // Тез. докл. V Рос. нац. конф. по сейсмостойкому стр-ву и сейсмическому районированию с межд. уч. – М.: ВНИИНТПИ, 2003. – С.115.
- Nuzhdin L.V., Kolesnikov A.O., Popov V.N. To an estimation of dynamic stresses around of the immersed body with a rectangular form. – System-based Vision for Strategic and Creative Design, Lisse, 2003, Vol.2., pp.1235-1239 (Swets & Zeitlinger: A.A. Balkema). (Нуждин Л.В., Колесников А.О., Попов В.Н. К оценке динамических напряжений вокруг заглубленного тела прямоугольной формы).
- Nuzhdin L.V., Kolesnikov A.O. Horizontal vibrations of the infinite plate with a rectangular cut. – Proc. of the Caspian Int. Conf. on geology and geotechnique, Baku, 2003, pp.188-193. (Нуждин Л.В., Колесников А.О. Горизонтальные колебания бесконечной пластины с прямоугольным вырезом).
- Колесников А.О., Попов В.Н. Оценка динамических характеристик на контуре прямоугольного выреза // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: Тез. III Всерос. конф. молод. ученых. – Новосибирск: Изд. ИТПМ СО РАН, 2003. – С.27.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. Исследование влияния заглубления ростверка на колебания свайных фундаментов в полунатурных условиях // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций: Мат. III Межд. науч.-техн. конф. Ч.1. – Волгоград: ВолгГАСА, 2003. – С.103-106.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. Исследование влияния заглубленного ростверка на колебания свайных фундаментов в натурных условиях // Сб. тез. докл. Межд. конф. по пробл. мех. грунтов, фундаментостр. и трансп. стр-ву. – Пермь, 2004. – C.231-234.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. К оценке динамических реакций на контуре прямоугольного выреза в бесконечной пластине // Изв. Вузов. Строительство. – 2004. - №5. – C.22-31.
- Нуждин Л.В., Гензе П.А., Колесников А.О., Лесин А.В. Комплексные экспериментальные исследования динамического поведения свайных фундаментов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях // Фундаментостроение в сложных инженерно-геологических условиях: Тр. межд. геотехн. симп. – СПб.: Изд. КГА, 2003. – С.177-180.
- Нуждин Л.В., Гензе П.А., Колесников А.О., Лесин А.В. Экспериментальные исследования работы свайных фундаментов на слабых грунтах, эксплуатируемых при динамическом нагружении // Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах: Мат. межд. науч.-техн. конф. – Архангельск: АГТУ, 2003.– С.123-128.
- Нуждин Л.В., Гензе П.А., Скворцов Е.П., Колесников А.О., Полинкевич Д.А., Лесин А.В. Разработка эффективных методов защиты зданий и сооружений от наводимых вибраций // Гуманизм и строительство. Природа, этнос и архитектура: Сб. тр. межд. науч.-практ. конф. – Барнаул: АлтГТУ, 2003. – С.56-57.
- Колесников А.О. Оптимизация экспериментальных исследований динамического поведения свайных фундаментов // Современные проблемы технических наук: Сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студ. конф. – Новосибирск: Изд. НГАСУ, 2000. – С.44.
- Колесников А.О., Голошевский А.Г. Программное обеспечение расчета колебаний свайных фундаментов на динамические нагрузки // Современные проблемы технических наук: Сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студ. конф. – Новосибирск: Изд. НГАСУ, 2000. – С.5.
- Гензе П.А., Колесников А.О. Совершенствование методов прогноза колебаний свайных фундаментов зданий и сооружений // Современные проблемы технических наук: Сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студ. конф. – Новосибирск: Изд. НГАСУ, 2001. – С.5.
- Скворцов Е.П., Гензе П.А., Колесников А.О., Полинкевич Д.А. Натурные исследования и разработка эффективных методов защиты зданий от наводимых вибраций / Октябрьский район в XXI веке: проблемы и перспективы развития // Тез. докл. район. студ. науч.-практ. конф. – Новосибирск: Изд. НГАСУ, 2001. – С.17-19.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. Комплексные экспериментальные исследования колебаний свайных фундаментов с заглубленным ростверком // Сб. тез. докл. 61-й науч.- техн. конф. НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск, 2004. – С.101-102.
- Нуждин Л.В., Колесников А.О. Теоретические исследования заглубления ростверка при колебаниях свайного фундамента // Сб. тез. докл. 61-й науч.- техн. конф. НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск, 2004. – С.102-103.
