Расчет свайных ленточных фундаментов при образовании карстового провала
На правах рукописи
ДАВЛЕТЯРОВ ДИНАР АНФИСОВИЧ
расчет свайных ленточных фундаментов при образовании карстового провала
Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа-2010
Работа выполнена в государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и производственный институт строительного комплекса республики Башкортостан» (ГУП институт «БашНИИстрой») и ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
| Научный руководитель | доктор технических наук ГОТМАН Наталья Залмановна |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор РЫЖКОВ Игорь Борисович |
| кандидат технических наук, профессор ГЛУХОВ Вячеслав Сергеевич | |
| Ведущая организация | ГОУ ВПО Пермский государственный технический университет |
Защита состоится 25 июня 2010 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте университета www.rusoil.net.
Автореферат разослан «24» мая 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Недосеко И. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. При проектировании зданий и сооружений на закарстованных территориях конструктивная защита зданий против карстовых деформаций преимущественно выполняется в фундаментной части, рассчитываемой при условии образования карстового провала. Фундаменты, обеспечивающие конструктивную защиту зданий против карстовых деформаций, получили название «карстозащитные фундаменты». Наиболее распространенным типом карстозащитного фундамента является свайный ленточный фундамент.
Расчет свайного ленточного фундамента при образовании карстового провала, как правило, выполняют путем математического моделирования фундамента на неравномерно деформируемом основании. Моделирование процессов совместного деформирования основания и фундамента базируется на допущениях при выборе модели основания, при этом используемые исходные данные о прочностных и деформационных характеристиках грунтов основания являются приближенными. Поэтому целесообразно не усложнять расчетную модель, а, напротив, применять упрощенные модели. Такой упрощенной расчетной моделью основания свайного ленточного фундамента при условии образования карстового провала является модель переменного коэффициента постели, характеристики которой определяются в соответствии с изменением напряженно-деформированного состояния (НДС) основания при образовании карстовых деформаций.
На основании ранее выполненных исследований установлено, что условия работы свай у границ провала отличны от условий работы свай в свайном фундаменте (когда карстовый провал не образуется), что влияет на величину переменного коэффициента постели основания. Изменение условий работы свай у границ провала определяется не только изменением напряженно-деформированного состояния основания свай, но и перераспределением нагрузок на сваи вокруг провала, что в большей степени определяется жесткостью надфундаментных конструкций. Однако в действующих нормах проектирования эти особенности работы свай не учитываются, что приводит к материалоемким и дорогостоящим карстозащитным фундаментам. Поэтому исследования условий работы свай свайного ленточного фундамента при образовании карстового провала, направленные на совершенствование методов расчета и проектирования карстозащитных фундаментов, актуальны и своевременны.
Объект исследований – карстозащитный свайный ленточный фундамент, проектируемый на закарстованной территории.
Предмет исследования – взаимодействие основания и свайного ленточного фундамента при образовании карстового провала.
Цель работы – разработка методики расчета и проектирования карстозащитного свайного ленточного фундамента, учитывающей изменение условий работы свай вокруг карстового провала.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- проведение численных исследований напряженно-деформированного состояния взаимодействия «свайный ленточный фундамент – основание» и получение закономерностей изменения условий работы свай вокруг карстового провала;
- проведение численных исследований напряженно-деформированного состояния взаимодействия «ленточный свайный фундамент – здание» и получение закономерностей распределения нагрузок на сваи при образовании карстового провала;
- анализ закономерностей изменения условий работы свай вокруг карстового провала и разработка аналитического решения для определения коэффициента жесткости свай;
- сопоставление расчетных коэффициентов жесткости свай вокруг карстового провала с данными натурного эксперимента;
- разработка методики по расчету и проектированию карстозащитных свайных ленточных фундаментов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- получены новые закономерности изменения графиков «нагрузка – осадка» свай вокруг карстового провала в зависимости от размеров провала, шага свай, расстояния свай от провала и грунтовых условий;
- получены новые закономерности распределения нагрузок на сваи свайного ленточного фундамента при образовании карстового провала;
- разработана методика определения коэффициента жесткости свай, учитывающая изменение условий работы свай вокруг карстового провала;
- разработана методика расчета и проектирования карстозащитного свайного ленточного фундамента здания, учитывающая изменение условий работы свай вокруг карстового провала и разную жесткость надфундаментных конструкций.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений классической механики грунтов, проведением расчетов с использованием сертифицированных расчетных программ, достаточной для практических расчетов сходимостью результатов экспериментальных, численных и аналитических исследований свайных фундаментов.
Практическое значение работы и ее использование
1 Практическое значение работы состоит в том, что разработанная методика расчета карстозащитного свайного ленточного фундамента позволяет снизить материалоемкость и стоимость фундаментов при обеспечении необходимой надежности проектных решений.
2 Результаты исследований использованы при разработке проекта карстозащитного свайного ленточного фундамента магазина «СДЕЛАЙ САМ» («Leroy Merlin»), расположенного в Кировском районе г. Уфы. Экономический эффект при этом составил 2166.352 тысяч рублей.
3 За решение геотехнических проблем при проектировании здания «Конгресс-Холла» в г. Уфе, связанных с высокой карстовой опасностью на площадке строительства, автор работы решением Президиума РОМГГиФ от 1 апреля 2009 г. был награжден дипломом имени Ухова С. Б. (диплом № СБУ-004/5).
Личный вклад автора состоит:
- в выполнении анализа результатов натурных исследований, проведении численных исследований, обобщении и оценке полученных результатов;
- в разработке методики расчета и проектирования карстозащитного свайного ленточного фундамента, учитывающей изменение условий работы свай вокруг карстового провала;
- в практическом использовании методики расчета при проектировании карстозащитного свайного ленточного фундамента.
На защиту выносятся:
- метод расчета коэффициента жесткости свай, учитывающий изменение условий работы свай вокруг карстового провала;
- методика расчета и проектирования карстозащитного свайного ленточного фундамента на закарстованных территориях, учитывающая изменение условий работы свай вокруг карстового провала и разную жесткость надфундаментных конструкций.
- результаты практического использования диссертационной работы.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2002, 2003, 2004, 2005); Международной научно-практической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений» (Пенза, 2004); Международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика» (Санкт-Петербург, 2005); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию БашНИИстроя «Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях» (Уфа, 2006); Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (Санкт-Петербург, 2008); 66-й Международной конференции СПбГАСУ «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей, две статьи без соавторов, одна статья в журнале, входящем в перечень изданий ВАК Минобразования и науки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включающего 54 рисунка, 11 таблиц, список использованных источников из 128 наименований.
Автор выражает искреннюю признательность коллективу отдела оснований и фундаментов ГУП института «БашНИИстрой» за оказанную помощь в работе над диссертацией.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы расчета и проектирования свайных ленточных фундаментов зданий на закарстованных территориях.
В первой главе выполнен литературный обзор, дан краткий анализ методов расчета свайных фундаментов на закарстованных территориях и сформулированы цель и задачи исследования.
Исследованиям работы свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе на закарстованных территориях, посвящены работы следующих ученых: П. А. Аббасова, Ю. М. Абелева, З. В. Бабичева, В. А. Барвашова, А. А. Бартоломея, Б. В. Бахолдина, В. Г. Березанцева, В. Н. Голубкова, Б. В. Гончарова, А. Л. Готмана, Н. З. Готман, А. А. Григорян, В. С.Глухова, Б. И. Далматова, Н. М. Дорошкевич, Н. Л. Зоценко, В. В. Знаменского, В. А. Илюхина, Ф. К. Лапшина, А. А. Луги, Э. И. Мулюкова, А. В. Пилягина, А. Б. Пономарева, И. Б. Рыжкова, Е. А. Сорочана, В. Г. Федоровского, Д. М. Шапиро Ю. М. Шеменкова и др.
Исследованиям проблем расчета фундаментов на закарстованных территориях посвящены работы Н. З. Готман, В. А. Илюхина, Т. А. Маликовой, Н. С. Метелюка, Э. И. Мулюкова, Ш. Р. Незамутдинова, Ф. Ройтера, Е. А. Сорочана, В. В. Толмачева, Г. М. Троицкого, В. П. Хоменко и др. Анализ опубликованных в научной литературе результатов показывает, что наиболее острым и до конца нерешенным вопросом является определение расчетных параметров основания в условиях образования карстовых деформаций. Для свайных фундаментов установленным фактом является изменение условий работы свай вокруг провала и, как следствие, снижение коэффициента жесткости свай. Не менее важным фактором, существенно влияющим на результаты расчета, является учет жесткости надфундаментных конструкций, т. е. выполнение совместного расчета деформируемого основания и здания.
Необходимость совместного расчета деформируемого основания и здания подтверждаются результатами исследований российских и зарубежных ученых: Б. А. Гарагаша, С. Н. Клепикова, Б. А. Косицина, В. И. Лишака, М. А. Малышева, Н. С. Метелюка, В. В. Михеева, А. П. Пшеничкина, Б. Бромса, Д. Берланда и др. Анализ результатов исследований и проектирования свайных фундаментов на неравномерно-деформируемом основании, в том числе в условиях образования карстовых деформаций, показывает, что учет жесткости здания в расчете фундаментов особенно важен.
При совместном расчете системы «здание-основание» решаются две основные задачи:
- выбор модели основания и определение его характеристик;
- выбор модели сооружения и определение характеристик материалов конструктивных элементов.
Предложенные исследователями расчетные модели сплошного грунтового основания можно разбить на три группы:
1 Модели, базирующиеся на теории местных деформаций.
2 Модели, основанные на гипотезе упругого полупространства.
3 Особые, а также комбинированные модели грунтового основания.
Модель местных упругих деформаций развивалась в работах Б. Г. Коренева, Э. Ф. Корневица, П. Л. Пастернака, Н. И. Фусса и др. В этой модели основания упругие свойства грунта характеризуются коэффициентом постели, который предполагается постоянным по всей длине штампа или балки, что является серьезным недостатком, так как не учитывает распределительную способность основания.
Этого недостатка лишена модель основания в виде упругой полуплоскости и упругого полупространства. Методы расчета фундаментов на упругом основании в виде упругой полуплоскости и упругого полупространства разработаны в трудах М. И. Горбунова-Посадова, Де-Беера, Б. Н. Жемочкина, П. И. Клубина, Т. А. Маликовой, Г. Э. Проктора, В. И. Соломина, О. Я. Шехтер и др. По результатам теоретических и экспериментальных исследований этих ученых показано, что недостатком этой модели является завышение распределительной способности грунта по сравнению с фактической.
Большое распространение получила модель местных деформаций с переменным коэффициентом жесткости, позволяющая сравнительно легко решать сложные вопросы совместной работы верхнего строения с фундаментом, что привлекло к ней внимание многих авторов, в том числе Н. З. Готман, Б. А. Косицына, С. Н. Клепикова, В. И. Лишака, А. И. Рыжкова, В. И. Соломина, П. П. Шагина и др. Учитывая простоту и наглядность этой модели, применение ее в расчетах свайных фундаментов зданий на неравномерно сжимаемом основании, в том числе и на закарстованных территориях, наиболее целесообразно.
Вопросам определения расчетных параметров основания свайного ленточного фундамента, моделируемого в соответствии с моделью переменного коэффициента постели, при образовании карстового провала посвящены работы В. А. Илюхина, Э. И. Мулюкова. Ими предложен метод определения коэффициентов жесткости свай вокруг карстового провала, но не учтены изменение характеристик грунтов основания и распределительная способность фундамента, деформируемого совместно с вышележащими конструкциями. В действующих нормативных документах по проектированию зданий на закарстованных территориях эти вопросы также не рассматриваются, что вынуждает проектировщика делать необоснованные запасы при проектировании фундаментов и, следовательно, приводит к увеличению их стоимости.
По результатам литературного обзора сформулированы цель и задачи проводимого исследования.
Во второй главе анализируются результаты численных исследований изменения условий работы свай при образовании карстового провала и получены функциональные зависимости для определения коэффициентов жесткости свай вокруг карстового провала.
Выполнено численное исследование НДС взаимодействия «свайный ленточный фундамент – основание» путем математического моделирования нагружения свай ленточного фундамента осевой силой. Карстовый провал моделировался в виде воронки ступенчатой формы. Расчетная схема приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Расчетная схема основания свайного фундамента при образовании карстового провала
Геометрические размеры прогнозируемой воронки (De) определялись по рекомендациям В. В. Толмачева в зависимости от расчетного диаметра (D), прогнозируемого по результатам инженерно-геологических изысканий. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса «PLAXIS 3D Foundation». Схема расчетной модели приведена на рисунке 2.
Расчеты фундамента выполнялись без учета образования карстового провала и с учетом образования карстового провала. По результатам расчетов строились графики «нагрузка – осадка» для свай в зависимости от изменения длины свай, шага свай, глубины провала, характеристик грунтов основания и удаленности сваи от карстового провала. По графикам «нагрузка – осадка» определялся коэффициент жесткости свай как отношение нагрузки на сваю к осадке при этой нагрузке на границе «условно линейного» участка графика. Так как изменение формы графиков «нагрузка – осадка» отражает изменение условий работы свай вокруг провала, в качестве количественной характеристики этого изменения принят коэффициент ( = К/К1 ), определяемый как отношение коэффициентов жесткости свай до образования провала К и после образования провала К1.
Рисунок 2 – Схема расчетной модели в программе «PLAXIS 3D Foundation»
Для выбора наиболее значимых параметров основания и фундамента, влияющих на изменение коэффициента жесткости свай вокруг провала, проведен полный факторный эксперимент, по результатам которого основными изменяемыми параметрами в численном эксперименте приняты следующие: отношение длины сваи (Lсв) к глубине карстового провала (Hпр), расстояние от границы провала до сваи (В) и характеристика грунтового основания.
Расчеты выполнялись для 40 вариантов исходных данных при варьировании Lсв в диапазоне от 6 до 16 м, B – от 0.5 до 8 м, Hпр – от 6 до 10 м. Грунтовое основание в расчете принято 2-х типов: 1 тип – 2-слойное неоднородное основание, сложенное суглинками мягкопластичными (с поверхности) и глинами полутвердыми (под нижним концом сваи); 2 тип – 2-слойное неоднородное основание, сложенное суглинками мягкопластичными (с поверхности) и гравийным грунтом (под нижним концом сваи).
В таблице 1 представлены графики «нагрузка – осадка» для 1-ого типа грунтового основания, сложенного суглинками мягкопластичными и полутвердыми (под нижним концом свай) при Lсв/Hпр = 0.553 и Lсв/Hпр = 1.515 на расстоянии сваи от границы провала B = 0.5 м и B = 3.5 м. В таблице 2 приведены результаты расчета коэффициента в зависимости от безразмерных параметров, а на рисунке 3 – графическая интерпретация этих результатов. Аппроксимация графиков на рисунке 3 позволила получить зависимость (1) для определения коэффициента.
Таблица 1 – Графики «нагрузка осадка» свай
| Lсв/Hпр | Расстояние от границы карстового провала В, м | |
| 0.5 | 3.5 | |
| 0.553 |  1 – расчет с учетом провала 2 – расчет без провала |  1 – расчет с учетом провала 2 – расчет без провала |
| 1.515 |  1 – расчет с учетом провала 2 – расчет без провала |  1 – расчет с учетом провала 2 – расчет без провала |
Таблица 2 – Значения в зависимости от Lсв/Hпр и В/Hпр
| Lсв/Hпр | В/Hпр | |||||||
| 0,049 | 0,146 | 0,243 | 0,340 | 0,437 | 0,534 | 0,631 | 0,728 | |
| 0,553 | 4,103 | 2,487 | 2,205 | 1,590 | 1,385 | 1,128 | 1,077 | 1 |
| 0,777 | 2,583 | 1,917 | 1,792 | 1,542 | 1,458 | 1,250 | 1,167 | 1 |
| 0,971 | 2,000 | 1,824 | 1,735 | 1,412 | 1,294 | 1,059 | 1,059 | 1 |
| 1,165 | 1,500 | 1,417 | 1,417 | 1,292 | 1,250 | 1,125 | 1,042 | 1 |
| 1,515 | 1,125 | 1,125 | 1,125 | 1,125 | 1,125 | 1,063 | 1,063 | 1 |
(1)
где параметр m определяется в зависимости от безразмерного параметра B/Hпр (см. рисунок 4). Выполнена аппроксимация графика на рисунке 4 и определена зависимость (2) для определения параметра m. Путем подстановки параметра m (формула 2) в формулу (1) и математических преобразований получим формулу (3) для определения снижающего коэффициента к коэффициенту жесткости сваи до образования карстового провала.
Рисунок 3 – Графики зависимости от Lсв/Hпр
Рисунок 4 – Зависимость параметра m от B/Hпр
(2)
(3)
Для учета различных грунтовых условий в формулу (3) введен коэффициент (формула 4). Коэффициент определен путем сравнительного анализа расчетов коэффициента для различных грунтовых условий с коэффициентом для грунтовых условий, с которыми проводились численные исследования (графики на рисунке 3), при одинаковой глубине провала и длине свай. После проведенной серии расчетов определены коэффициенты в песчаных и глинистых грунтах с различными физико-механическими характеристиками и разработаны таблицы 3 и 4 для практического применения.
(4)
Таблица 3 – Коэффициент для песчаных грунтов
| Пески | Коэффициент при коэффициенте пористости е, равном | |||
| 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | |
| Гравелистые и крупные | 0,25 | 0,39 | 0,54 | - |
| Средней крупности | 0,27 | 0,42 | 0,56 | - |
| Мелкие | 0,27 | 0,53 | 0,79 | 1,05 |
| Пылеватые | 0,35 | 0,69 | 1,03 | 1,37 |
Таблица 4 – Коэффициент для глинистых грунтов
| Наименование грунтов | Коэффициент при коэффициенте пористости е, равном | |||||||
| 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | ||
| Супеси | 0 IL 0,25 | 0,73 | 0,96 | 1,21 | 1,46 | - | - | - |
| 0,25 < IL 0,75 | 0,77 | 0,98 | 1,18 | 1,47 | 1,84 | - | - | |
| Суглинки | 0 IL 0,25 | 0,56 | 0,79 | 0,91 | 1,08 | 1,21 | 1,44 | - |
| 0,25 < IL 0,5 | 0,68 | 0,84 | 1,00 | 1,21 | 1,46 | 1,69 | - | |
| 0,5 < IL 0,75 | - | - | 1,11 | 1,37 | 1,64 | 1,85 | 2,06 | |
| Глины | 0 IL 0,25 | - | 0,71 | 0,83 | 0,93 | 1,04 | 1,19 | 1,34 |
| 0,25 < IL 0,5 | - | - | 0,88 | 1,00 | 1,17 | 1,36 | 1,61 | |
| 0,5 < IL 0,75 | - | - | 1,05 | 1,19 | 1,40 | 1,60 | 1,78 | |
Полученная формула (4) для определения коэффициента была проверена сопоставлением с данными испытаний фрагментов свайных однорядных фундаментов в полевых условиях, выполненных институтом «БашНИИстрой». В качестве моделей свай были использованы железобетонные сваи размером 150х150х3000 мм. Грунтовые условия на площадке испытаний представлены суглинками полутвердой консистенции. Имитация провала осуществлялась устройством выемки. Испытания фундаментов состояли из двух последовательных статических испытаний вертикальной нагрузкой, одно из которых осуществлялось до образования выемки и второе – после ее устройства. В результате анализа данных натурного эксперимента строились графики «нагрузка–осадка» свай и определялось снижение коэффициентов жесткости свай (=К/К1) при образовании провала в зависимости от удаленности сваи от провала.
На рисунке 5 представлены два графика изменения коэффициента в зависимости от удаленности сваи от провала B. Один из графиков получен по результатам натурного эксперимента, другой – расчетом по формуле (4).
1 – по результатам натурного эксперимента; 2 – по результатам расчета по формуле (4).
Рисунок 5 – Изменение коэффициента в зависимости от B.
Графики на рисунке 5 показывают удовлетворительную сходимость расчетных и опытных данных.
В третьей главе изложены результаты численных исследований распределения нагрузок на сваи вокруг карстового провала в свайном ленточном фундаменте бескаркасного здания.
Исследование выполнено путем моделирования бескаркасного здания совместно с фундаментом и основанием. Основание моделировалось в соответствии с моделью переменного коэффициента постели, количественной характеристикой которой является коэффициент жесткости свай, а здание - набором конечных элементов. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса «SCAD».
С целью обоснования принятой расчетной модели основания в численном исследовании выполнено моделирование экспериментального бескаркасного здания на свайных фундаментах в г. Уфе. При строительстве этого здания институтом ГУП «БашНИИстрой» выполнялся мониторинг нагрузок, передаваемых на сваи (с помощью силоизмерительных мессдоз), и осадок свайного фундамента.
Экспериментальное здание – 9-этажное, с поперечными и продольными несущими стенами. Фундаменты свайные из забивных призматических свай сечением 30х30 см с рядовым расположением свай под стенами, длина свай 12 м. Основание представлено суглинками и глинами от тугопластичной до полутвердой консистенции.
На основе анализа результатов мониторинга за нагрузками на сваи и осадками свай при этих нагрузках были построены графики «нагрузка – осадка» для свай под наружными и внутренними стенами (см. рисунок 6) и графики изменения осадок свайного основания в плане здания (см. рисунок 7).
Рисунок 6 – Графики «нагрузка-осадка» для свай под наружными (а) и для свай под внутренними (б) стенами.
Из графиков «нагрузка – осадка» на рисунке 6 определены параметры основания для моделирования свайного основания по модели переменного коэффициента постели. Получено, что коэффициент жесткости свай под наружными стенами равен 165 кН/см, а под внутренними – 125 кН/см, т. е. сваи под наружными стенами обладают меньшей податливостью, чем сваи под внутренними стенами.
Сравнительный анализ осадок фундамента, получаемых расчетом, с осадками фактическими (см. рисунок 7), полученными по результатам мониторинга, показывает их удовлетворительную сходимость и подтверждает возможность использования модели переменного коэффициента постели в расчетах свайных ленточных фундаментов совместно с надфундаментными конструкциями.
Данная расчетная модель использована при проведении численных исследований закономерностей распределения нагрузок на сваи свайного ленточного фундамента вокруг карстового провала.
Рисунок 7 – Результаты определения осадок свайного фундамента по продольной оси (а), по поперечной оси (б) по данным натурных наблюдений (график 1) и по результатам расчета (график 2).
Для оценки влияния образования карстового провала на распределение нагрузок на сваи вокруг карстового провала выполнен полный факторный эксперимент типа 2k с эффектом взаимодействия. Основными изменяемыми факторами приняты местоположение карстового провала в плане (под внутренними или под наружными стенами) и величина коэффициента жесткости свай. На основании проведенного факторного эксперимента выявлено, что наибольшее влияние на распределение нагрузок на сваи вокруг карстового провала имеет местоположение провала.
Определение влияния образования карстового провала (отдельно под наружными и внутренними стенами) на распределение нагрузок на сваи фундамента выполнено путем сопоставления эпюр реакций свай, полученных при расчете без учета образования карстового провала, с эпюрами реакций, полученных с учетом образования карстового провала диаметром 6 м. В качестве расчетного критерия было выбрано отношение нагрузки, передаваемой на сваю (Р), к допустимой нагрузке на данную сваю (Fd), определенной в соответствии с требованиями норм. При этом, если Р/Fd 1, то нагрузка, передаваемая на сваю, не превышает предельно допустимую нагрузку для этой сваи. Если Р/Fd > 1, то нагрузка, передаваемая на сваю, превышает предельно допустимую нагрузку для этой сваи. На рисунке 8 показаны графики характеризующие изменение отношения нагрузки передаваемой на сваю (Р) к предельно допустимой нагрузке на сваю (Fd) от отношения удаленности сваи от центра провала (Х) к радиусу провала (R) для различного местоположения карстового провала.
Рисунок 8 – Изменение Р/Fd в зависимости от X/R
Анализ результатов исследования позволил сделать следующие выводы:
- перераспределение нагрузок на сваи зависит не от абсолютных значений коэффициентов жесткости свай, а от соотношения коэффициентов жесткости свай под наружными и внутренними стенами;
- основные тенденции перераспределения нагрузок на сваи не зависят от принятой в проекте нагрузки на сваю;
- при карстовом провале диаметром до 6 м под внутренними стенами нагрузка равномерно перераспределяется на сваи под внутренними и наружными стенами, увеличение нагрузки составляет не более 10% от нагрузки, передаваемой на сваи в условиях нормальной эксплуатации (см. рисунок 8а);
- при карстовом провале диаметром 6 м под наружными стенами и под углом здания нагрузка в большей степени возрастает на сваях под наружными стенами. Увеличение достигает 30% от нагрузки, передаваемой на сваи в условиях нормальной эксплуатации, а под внутренними стенами это увеличение не превышает 10% (см. рисунки 8а и 8б);
- при увеличении количества свай под наружными стенами на 30% от требуемого для условий нормальной эксплуатации, нагрузка на эти сваи при образовании карстового провала увеличивается не более чем на 10%;
- увеличение нагрузки на сваю до 30% имеет место для 2-х крайних свай у границ провала.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при образовании карстового провала под наружными стенами нагрузка от стен над провалом перераспределяется в основном на сваи только под наружными стенами. При образовании карстового провала под внутренними стенами эти нагрузки распределяются на все сваи фундамента, однако сваи под наружными стенами воспринимают большую часть нагрузки от стен над провалом. Данные результаты объясняются, прежде всего, разной жесткостью свай под внутренними и наружными стенами (см. рисунок 6), а также разной распределительной способностью коробки здания при образовании провала под наружной стеной и под внутренними стенами. Очевидно, что жесткость здания реализуется в большей степени при образовании карстового провала под внутренними стенами и в меньшей – при образовании карстового провала под наружной стеной.
Таким образом, на основании выполненных исследований установлено, что при образовании карстового провала диаметром до 6 м нагрузка на сваи под внутренними стенами увеличивается не более чем на 10%, а, следовательно, эта нагрузка не превышает предельных сопротивлений свай. На сваи под наружными стенами вокруг провала (на две крайние сваи у провала) может передаваться нагрузка, превышающая предельное сопротивление свай до 30%.
В связи с тем, что графики «нагрузка – осадка» нелинейны (см. рисунок 6), увеличение нагрузки, а особенно, превышающее предельное сопротивление свай, приводит к снижению коэффициента жесткости этих свай и соответственно к увеличению усилий в сечениях ленточного ростверка, что также зависит от жесткости здания. Выполнена серия расчетов изгибающих моментов в сечениях ростверка, по результатам которых установлено, что при снижении коэффициента жесткости для 2-х крайних свай у границ провала (в 2 раза) изгибающие моменты в сечениях ростверка возрастают в среднем на 30%.
В четвертой главе представлен инженерный метод расчета свайных ленточных фундаментов на закарстованных территориях. Разработан метод определения коэффициента жесткости свай вокруг карстового провала, методика проектирования свайного ленточного фундамента на закарстованных территориях, а также представлен расчет экономического эффекта от применения результатов исследований в практике проектирования.
На основании выполненных исследований (главы 2 и 3) установлено, что коэффициент жесткости свай вокруг карстового провала (
) снижается по сравнению с коэффициентом жесткости свай до образования провала (К) в связи с ростом нагрузки на сваи, зависящим от жесткости надфундаментных конструкций, и изменением условий работы сваи, вызванном ослаблением основания вокруг карстового провала.
Метод определения коэффициента жесткости свай вокруг карстового провала разработан с использованием решений контактной задачи балки на упругом основании и следующих допущений, сформулированных на основе данных натурных и численных исследований (главы 2 и 3).
1 Коэффициент жесткости сваи на границе карстового провала (с учетом ослабления основания вокруг провала) определяется по формуле: К1 = Р/S, где P и S - нагрузка на сваю и осадка при этой нагрузке в «условно линейной» части графика «нагрузка – осадка» (см. таблица 1), К1 = К/ ( определяется по формуле 3).
2 Коэффициент жесткости сваи на границе карстового провала (с учетом ослабления основания сваи вокруг провала и роста нагрузки на сваю) определяется по формуле: 
, где N - дополнительная нагрузка на сваю при провале, S1 – осадка сваи при нагрузке (P+N).
3 Зависимость «нагрузка (Р) - осадка (S)» одиночной сваи имеет вид степенной функции типа S = fР2, где f =const.
4 Дополнительная нагрузка на ростверк вокруг провала распределяется по треугольной эпюре на участке длиной L, уменьшаясь от максимального значения у границ провала до нуля на границе рассматриваемого участка.
5 Величина коэффициента жесткости на границе карстового провала минимальна (но не равна нулю) и возрастает на участке длиной L до величины, равной коэффициенту жесткости сваи в поле.
Для определения длины участка L использовано решение Н. С. Метелюка, полученное с использованием решения теории упругости для балки на упругом основании, ослабленном карстовым провалом, которое для свайного фундамента с ростверком прямоугольного сечения высотой h имеет вид
, (5)
где 
– коэффициент жесткости одиночной сваи вокруг карстового провала, D – диаметр карстового провала, Еб – модуль деформации бетона ростверка, b – ширина ростверка, а – шаг свай.
С учетом этих допущений определим дополнительную нагрузку на сваю N и коэффициент жесткости одиночной сваи на границе карстового провала 
при распределенной нагрузке q над карстовым провалом диаметром D при шаге свай а
. (6)
Путем математических преобразований и обозначения отношения 
через, получим уравнение
(7)
Уравнение (7) получено в неявном виде, поэтому для удобства практического применения его решение выполнено методом подбора, и составлены таблицы.
Таким образом, коэффициент жесткости свай вокруг карстового провала следует уменьшать по отношению к коэффициенту жесткости свай, удаленных от провала, и определять его по формуле
. (8)
Коэффициент жесткости свай у границ карстового провала следует принимать изменяющимся по линейной зависимости от минимального значения 
до К1. Для упрощения процедуры задания исходных данных допускается коэффициент жесткости свай у границ провала на участке длиной 2а (а - шаг свай) принимать постоянным, равным 
, далее коэффициент жесткости свай принимается равным К1.
Подставив в формулу (8) значение К1 = К/ в соответствии с ранее принятыми допущениями, получим формулу (9), рекомендуемую для практических расчетов коэффициента жесткости свай вокруг карстового провала.
, (9)
где определяется по формуле (4), а по формуле (7) или по таблицам.
На основании выполненного исследования, включающего натурный и численный эксперимент, а также аналитические решения, разработана методика расчета свайных ленточных фундаментов зданий на закарстованных территориях, включающая следующие основные положения:
1 Основным расчетным параметром основания свайного ленточного фундамента, моделируемого по модели переменного коэффициента постели, является коэффициент жесткости свай.
2 Коэффициент жесткости свай вокруг карстового провала должен определяться в зависимости от параметров провала, удаленности сваи от провала и грунтовых условий в соответствии с новым методом (формула 9).
3 Коэффициент жесткости свай свайных ленточных фундаментов бескаркасных зданий вокруг карстового провала может быть принят равным коэффициенту жесткости свай, принятому в расчетах без учета образования провала, при условии увеличения количества свай на 30% от требуемого по расчету свайного поля для условий нормальной эксплуатации (когда карстовый провал не образуется).
4 Расстановку и определение длины свай свайных ленточных фундаментов следует выполнять в соответствии с требованиями действующих нормативных документов без учета образования карстового провала с последующим контролем нагрузок на сваи расчетом фундамента при образовании карстового провала.
5 Расчеты ленточных ростверков при образовании карстового провала следует выполнять с учетом жесткости верхнего строения в соответствии с требованиями действующих нормативных документов, а при определении жесткостных характеристик основания (коэффициента жесткости свай) учесть два снижающих коэффициента и (формула 9), при этом при расчете на провал под внутренними стенами бескаркасного здания принимается равным 1.
Данная методика может быть использована в практике проектирования свайных ленточных фундаментов на закарстованных территориях.
Результаты исследований, представленные в данной работе, использованы при разработке проекта карстозащитного свайного ленточного фундамента магазина «СДЕЛАЙ САМ» («Leroy Merlin»), расположенного в Кировском районе г. Уфы. Экономический эффект за счет сокращения количества свай по сравнению с проектом, выполненным на основании действующих норм, составил 2166.352 тысяч рублей.
Общие выводы и результаты
1 В действующих нормативных документах по проектированию зданий на закарстованных территориях вопросы расчета фундаментов с учетом изменения условий работы свай вокруг карстового провала не рассматриваются, что вынуждает проектировщика делать необоснованные запасы при проектировании фундаментов и, как правило, приводит к увеличению их стоимости. С целью разработки методики расчета свайных ленточных фундаментов на закарстованных территориях, учитывающей изменение условий работы свай вокруг карстового провала и жесткость надфундаментных конструкций, проведены численные, натурные и аналитические исследования закономерностей изменения условий работы свай и распределения нагрузок на сваи вокруг карстового провала.
2 Выполнено исследование закономерностей изменения условий работы свай вокруг карстового провала путем математического моделирования нагружения сваи осевой силой совместно с анализом данных натурного эксперимента, в результате которого получено следующее:
- установлено, что изменение формы графиков «нагрузка – осадка» отражает изменение условий работы свай вокруг провала, а в качестве количественной характеристики этого изменения может быть принят коэффициент, определяемый как отношение коэффициентов жесткости свай до образования провала К и после образования провала К1 и характеризующий снижение коэффициента жесткости сваи вокруг карстового провала;
- выявлено, что наибольшее влияние на изменение коэффициента оказывают безразмерные параметры Lсв /Hпр (отношение длины сваи Lсв к глубине карстового провала Hпр), B/Hпр (отношение удаленности сваи от границы провала B к глубине провала Hпр) и характеристики грунтового основания;
- установлено, что графики зависимости от параметров Lсв /Hпр, B/Hпр и характеристик грунтового основания наиболее точно аппроксимируются степенной функцией, и в результате аппроксимации этих зависимостей получено новое решение для расчета коэффициента ;
- достоверность полученного решения для определения коэффициента подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов расчета с данными натурного эксперимента, расхождение результатов расчета и испытания не превысило 15%.
3 Выполнено численное исследование закономерностей распределения нагрузок на сваи вокруг карстового провала с учетом жесткости надфундаментных конструкций. Принятая в расчете модель основания обоснована удовлетворительной сходимостью результатов расчета осадок экспериментального здания с данными натурных наблюдений. По результатам численного исследования свайного ленточного фундамента бескаркасного здания установлено следующее:
- при образовании карстового провала диаметром до 6 м нагрузки на сваи вокруг провала распределяются неравномерно, нагрузки на сваи у границ провала увеличиваются в 1.1 – 1.3 раза, что приводит к снижению коэффициента жесткости свай;
- увеличение нагрузок на сваи вокруг провала, образовавшегося под внутренними стенами, практически не происходит (нагрузка на сваи у границ провала увеличиваются в 1.1 раза), а образование провала под наружными стенами приводит к росту нагрузок в 1.3 раза, как минимум, на 2 крайние сваи у границы провала, и, соответственно, к снижению коэффициентов жесткости этих свай в 1.5 – 2.5 раза;
- снижение коэффициентов жесткости для крайних свай у границ провала в 2 раза способствует увеличению изгибающих моментов в ростверке в среднем на 30%, поэтому выполнение расчетов без учета снижения коэффициентов жесткости свай у границ провала приводит к снижению надежности проектных решений.
4 По результатам проведенных исследований разработана методика расчета и проектирования карстозащитного свайного ленточного фундамента, учитывающая изменение условий работы свай вокруг карстового провала и разную жесткость надфундаментных конструкций, которая включает следующие основные положения:
- основным расчетным параметром основания свайного ленточного фундамента, моделируемого по модели переменного коэффициента постели, является коэффициент жесткости свай, определяемый с учетом двух снижающих коэффициентов и, при этом коэффициент учитывает снижение коэффициента жесткости сваи в связи с увеличением нагрузки на сваи у границ провала (формула 9);
- расстановку и определение длины свай свайных ленточных фундаментов следует выполнять в соответствии с требованиями действующих нормативных документов без учета образования карстового провала с последующим контролем нагрузок на сваи расчетом фундамента при образовании провала;
- расчеты ленточных ростверков при образовании карстового провала следует выполнять с учетом жесткости верхнего строения в соответствии с требованиями действующих нормативных документов, а при определении жесткостных характеристик основания (коэффициента жесткости свай) учесть два снижающих коэффициента и (формула 9), при этом при расчете на провал под внутренними стенами бескаркасного здания принимается равным 1.
5 Применение результатов исследований на экспериментальном объекте позволило получить эффект 2166.352 тысяч рублей от снижения количества свай по сравнению с проектом, выполненным на основании действующих норм.
Содержание работы опубликовано в 11 научных трудах, из них 11-ая статья опубликована в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.
1 Давлетяров, Д. А. К вопросу об учете жесткости здания при расчете фундаментных монолитных плит / Г. В. Яковлев, Д. А. Давлетяров, Н. З. Готман // Проблемы строительного комплекса России: материалы VI Международной научно-технической конференции при VI Международной специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство – 2002». – Уфа, 2002. – С. 58.
2 Давлетяров, Д. А. Учет жесткости верхнего строения при расчете ленточного свайного фундамента ТСК «Кувыкино» в г. Уфе / А. Л. Готман, Н. З. Готман, Д. А. Давлетяров // Проблемы строительного комплекса России: материалы VII Международной научно-технической конференции при VII Международной специализированной выставке «Строительство, коммунальное хозяйство, энерго-ресурсосбережение – 2003». – Уфа, 2003. – С. 92-93.
3 Давлетяров, Д. А. Карстозащитный фундамент многоэтажного кирпичного здания / Н. З. Готман, Д. А. Давлетяров // Проблемы строительного комплекса России: материалы VIII Международной научно-технической конференции при VIII Международной специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение – 2004». – Уфа, 2004. – С. 94-96.
4 Давлетяров, Д. А. Учет жесткости крупнопанельного здания в расчете фундаментов / Н. З. Готман, Д. А. Давлетяров // Труды международной научно-практической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. – Пермь, 2004. – С. 45-51.
5 Давлетяров, Д. А. Исследование условий формирования модели крупнопанельного здания в расчетах фундаментов с учетом жесткости верхнего строения / Н. З. Готман, Д. А. Давлетяров // Вопросы фундаментостроения: сборник научных статей. – БашНИИстрой, Уфа, 2004. – С. 109-116.
6 Давлетяров, Д. А. Численные исследования ленточного свайного фундамента крупнопанельного здания при образовании карстового провала / Д. А. Давлетяров, А. Л. Готман // Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений: сборник статей Международной научно-практической конференции. – Пенза, 2004. – С. 106-109.
7 Давлетяров, Д. А. К вопросу о расчете свайных ленточных фундаментов крупнопанельных зданий с учетом жесткости верхнего строения при образовании карстового провала / Д. А. Давлетяров // Строительство. Коммунальное хозяйство. Камнеобработка – 2005: материалы VI Международной научно-технической конференции при IX Международной специализированной выставке. – Уфа, 2005. – С. 67-69.
8 Давлетяров, Д. А. Учет совместной работы здания и основания в расчетах фундаментов при образовании карстовых деформаций / Н. З. Готман, А. Л. Готман, Д. А. Давлетяров // Взаимодействие сооружений и оснований. Методы расчета и инженерная практика: Труды Международной конференции по геотехнике. – С.-Петербург, 2005. – Т. 2. - С. 69-75.
9 Давлетяров, Д. А. К вопросу об обеспечении сохранности крупнопанельного здания при образовании карстового провала / Д. А. Давлетяров, Н. З. Готман // Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях: труды Международной научно-технической конференции. – Уфа, 2006. – Т. 2. – С. 43-47.
10 Давлетяров, Д. А. Проектирование карстозащитных и противооползневых мероприятий при реконструкции железнодорожного вокзала в г. Уфе / Н. З. Готман, Д. А. Давлетяров, Ю. А. Готман // Развитие городов и геотехническое строительство: труды Международной конференции по геотехнике. – С.-Петербург, 2008. – Т. 4. – С. 403-408.
11 Давлетяров, Д. А. К расчету свайного ленточного фундамента при образовании карстового провала / Д. А. Давлетяров // Вестник гражданских инженеров. - С.-Петербург, 2009. – № 2. – С. 83-86.
Подписано к печати 20.05.2010 г. Объем 1.5 печ. л.
Тираж 90. Заказ № 15.
Отпечатано в БашНИИстрое
450064, Уфа, ул. Конституции, 3. Тел. 242-53-87
