close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование несущей способности мерзлых грунтов основания ребристых буроопускных свай

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Набережный Артем Дмитриевич
УДК 624.139.2
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕРЗЛЫХ
ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ РЕБРИСТЫХ
БУРООПУСКНЫХ СВАЙ
Специальность 25.00.08 – Инженерная геология,
мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Якутск - 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном
образовательном учреждении высшего образования «Северо-Восточный
федеральный университет им. М.К. Аммосова» (ФГАОУ ВО «СВФУ
им. М.К. Аммосова).
Научный руководитель:
Кузьмин Георгий Петрович, доктор технических наук, доцент,
член-корреспондент Российской инженерной академии.
Научный консультант:
Саввина Александра Егоровна, кандидат технических наук, доцент.
Официальные оппоненты:
Хохолов Юрий Аркадьевич, доктор технических наук, Федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела
Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук
(ИГДС СО РАН), ведущий научный сотрудник;
Алексеев Андрей Григорьевич, кандидат технических наук,
Акционерное общество «Научно-исследовательский центр «Строительство»
– Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений
имени Н.М. Герсеванова (АО «НИЦ «Строительство» - НИИОСП
им.Н.М. Герсеванова), заведующий лабораторией.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
физико-технических проблем Севера имени В.П. Ларионова Сибирского
отделения Российской академии наук (ИФТПС СО РАН).
Защита состоится «22» ноября 2018 г. в 14-00 ч. на заседании
диссертационного совета Д 003.025.01 при Институте мерзлотоведения
им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная,
36, Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (актовый зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБУН
«Институт
мерзлотоведения
им.
П.И.
Мельникова»
СО
РАН
(http://mpi.ysn.ru).
Автореферат разослан «___» _______________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат географических
наук
Шестакова
Алена Алексеевна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время подавляющее большинство
зданий и сооружений в криолитозоне возводится на буроопускных сваях с
сохранением мерзлого состояния грунтов основания. В предварительно
пробуренную на определенную глубину скважину опускают сваю, а
пространство между сваей и стенками скважины заполняют грунтовым
раствором и выдерживают до смерзания с окружающими грунтами. Нагрузка
от сооружения передается на грунты основания через нижний конец сваи и
боковую ее поверхность. Удельные силы смерзания боковой поверхности
сваи с заполнителем скважины на порядок меньше сопротивления мерзлого
грунта нормальному давлению. Вследствие этого при многократном
превышении площади рабочей части боковой поверхности сваи над
площадью нижнего ее конца суммарная нагрузка, передаваемая через нее на
окружающие мерзлые грунты, всего лишь в несколько раз больше суммарной
нагрузки, передаваемой через нижний конец сваи.
Таким образом, существенным недостатком широко применяемых в
настоящее время буроопускных висячих свай с гладкой боковой
поверхностью, опирающихся на сжимаемые мерзлые грунты, является низкая
степень использования потенциальной несущей способности мерзлых
грунтовых оснований.
Определенную роль в формировании величины нагрузки, передаваемой
от боковой поверхности буроопускных висячих свай к окружающим
мерзлым грунтам основания, играет вид раствора, заполняющего
пространство между боковой поверхностью свай и стенками скважин. В
настоящее время еще недостаточно изучены удельные силы смерзания
грунтовых растворов с поверхностью ребристых (или аналогичных) свай.
Необходимость
повышения
эффективности
использования
потенциальной несущей способности многолетнемерзлых грунтов основания
буроопускных висячих свай и необходимость дополнительного изучения
механических свойств и технологических характеристик грунтовых
растворов - заполнителей скважин определяют актуальность выполненных
исследований.
Цель диссертационной работы – исследование несущей способности
мерзлых грунтов основания ребристых буроопускных свай. Для решения
поставленной цели необходимо:
– провести обследование технического состояния зданий и сооружений
на территории Якутии с различными геокриологическими условиями и
выявить основные причины возникновения дефектов и повреждений,
предложить методику экспертной оценки поврежденности системы
«основание-фундамент» эксплуатируемых зданий и сооружений;
– изучить существующие способы повышения эффективности
использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов
основания свайных фундаментов висячего типа, проанализировать методы
3
расчета несущей способности многолетнемерзлых грунтов основания
висячих свай и предложить формулу расчета основания ребристых свай;
– провести экспериментальные исследования несущей способности
мерзлых
грунтов
основания
свайных
фундаментов
выбранного
конструктивного решения;
–
исследовать
прочностные
свойства
и
технологические
характеристики грунтовых растворов-заполнителей пространства между
сваей и стенками скважины;
– оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых
решений по повышению степени использования потенциальной несущей
способности мерзлых грунтов основания свайных фундаментов висячего
типа.
Научная новизна
–
экспериментально
подтверждена
возможность
повышения
эффективности использования потенциальной несущей способности мерзлых
грунтов основания по боковой поверхности свай;
– экспериментально установлена зависимость величины передаваемой
нагрузки на мерзлые грунты основания от геометрических параметров
ребристых свай;
–
исследованы
прочностные
свойства
и
технологические
характеристики грунтовых растворов - заполнителей скважин при устройстве
ребристых свай по буроопускной технологии;
- предложена методика экспертной оценки поврежденности системы
«основание-фундамент» эксплуатируемых зданий и сооружений;
Защищаемые положения:
– Экспериментальное подтверждение эффективности использования
потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания
буроопускных свай оребрением боковой их поверхности.
– Закономерности изменения несущей способности мерзлых грунтов
основания ребристых буроопускных свай от изменения угла наклона и шага
ребер.
– Влияние прочностных и технологических свойств грунтовых
растворов на основе известкового и песчаного вяжущих на несущую
способность ребристых буроопускных свай.
Практическая значимость работы
– ребристые сваи с рекомендуемыми параметрами ребер по сравнению
со сваями с гладкой боковой поверхностью существенно повышают
нагрузку, передаваемую на мерзлые грунты основания по боковой их
поверхности;
– внедрение в практику строительства на многолетнемерзлых грунтах
ребристых свай повысит устойчивость зданий и сооружений и снизит
затраты на устройство конструкций нулевого цикла;
4
– использование грунтовых растворов с оптимально подобранным
составом приведет к снижению затрат на устройство буроопускных свай и
повышению несущей способности основания по боковой поверхности свай.
Достоверность полученных результатов
Теоретические предпосылки подтверждены данными обследования в
2011-2018 гг. технического состояния эксплуатируемых и строящихся зданий
и сооружений в различных геокриологических районах Якутии, результатами
экспериментальных исследований несущей способности моделей свай в
подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН в 2014-2018 гг.,
а также исследованиями прочностных свойств и технологических
характеристик грунтовых растворов – заполнителей скважин, проведенных в
2014-2018 гг. в лабораториях Инженерно-технического института СВФУ.
Апробация работы. Результаты работы доложены на II
Международном форуме технологического развития «Технопром» (г.
Новосибирск, 2013 г.); на научной конференции «Лаврентьевские чтения» в
2012, 2013 (II место в секции «Технические науки») и 2015 гг.; на
Международной
конференции
«Ломоносов-2016»
в
МГУ
им.
М.К.Ломоносова («Лучший доклад» секции «Геокриология»); на
Всероссийском форуме молодых ученых (г. Екатеринбург, 2017 г.); в
Университете Хоккайдо (г. Саппоро, Япония, 2015 г.) в рамках стажировки
по «Программе подготовки экспертов для руководящей роли в области
экологии, культуры и устойчивого развития в регионах Дальнего Востока и
Заполярья – RJE3»; на «Международном симпозиуме по проблемам
инженерного мерзлотоведения» в г. Магадане в 2017 г. (отмечен «Лучшим
докладом» среди молодых ученых в секции «Тепловое и механическое
взаимодействие мерзлых грунтов и инженерных сооружений в
криолитозоне»); на конкурсе на соискание «Гранта Главы РС (Я) для
молодых ученых, специалистов, студентов» (выигран Грант на сумму 300
тыс. руб.); на Всероссийской молодежной научно-практической конференции
«Геонауки: проблемы, достижения и перспективы развития» в г. Якутске
(отмечен Дипломом I степени в секции «Гидрология, гидрогеология,
инженерная геология и геокриология»).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти
глав, основных выводов, списка литературы. Общий объем диссертации 150
страниц.
Работа выполнялась в Северо-Восточном федеральном университете
имени М.К. Аммосова и Институте мерзлотоведения имени П.И. Мельникова
СО РАН в рамках целевых программ и хоздоговорных работ. В Институте
мерзлотоведения работа выполнялась в рамках проекта IX.135.2.3.
«Формирование геокриологической среды и ее роль в функционировании
природно-технических систем». Обследования технического состояния
зданий и сооружений проведены в рамках договора №1239д-10/6.1 между
СВФУ и АК «АЛРОСА» «Модернизация научно-исследовательского
процесса и инновационной деятельности» Тема 6. «Повышение надежности
5
производственных конструкций», Работа 6.1. «Разработка руководства по
технической эксплуатации строительных конструкций Обогатительных
фабрик АК «АЛРОСА», по научно-исследовательской работе «Модернизация
научно-исследовательного процесса и инновационной деятельности», тема
2.12 «Исследование и обеспечение устойчивости и безопасности зданий и
сооружений на многолетнемерзлых грунтах в условиях изменения климата и
сейсмической активности», наименование работ: 2.11.9 «Оценка
технического состояния, моделирование и расчет крупнопанельных зданий с
учетом воздействий техногенного и природно-климатического характера» и
2.11.7 «Изучение действительной работы и разработка методики расчета
фундаментных
конструкций
с
учетом
температурно-влажностных
воздействий», а также по теме «Исследование оптимальных конструктивных
и технологических решений в строительстве зданий, эксплуатируемых в
условиях Севера, позволяющих снизить стоимость жилищного строительства
в Республике Саха (Якутия)» (в рамках договора СВФУ им. М.К. Аммосова и
ГАУ «Центр стратегических исследований»).
Автор считает необходимым выразить искреннюю благодарность
научному руководителю д.т.н.,
члену-корреспонденту Российской
инженерной академии, доценту Кузьмину Г.П., научному консультанту
к.т.н., доценту Саввиной А.Е., директору Инженерно-технического
института СВФУ д.т.н., доценту Корнилову Т.А., директору Института
мерзлотоведения СО РАН д.г-м.н. Железняку М.Н., зав. кафедрой
«Промышленное и гражданское строительство» ИТИ СВФУ к.т.н., доценту
Посельскому Ф.Ф., главному научному сотруднику лаборатории
Инженерной геокриологии д.т.н., члену Российской инженерной академии
Чжан Р.В., а также коллективу кафедры «Промышленное и гражданское
строительство» ИТИ СВФУ и коллективу лаборатории Инженерной
геокриологии ИМЗ СО РАН.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследования несущей
способности мерзлых грунтов основания ребристых буроопускных свай и
дана общая характеристика диссертации.
В первой главе рассмотрены существующие конструктивные решения
фундаментов, позволяющие повысить эффективность использования
потенциальной несущей способности мерзлых грунтов оснований зданий и
сооружений, в т.ч. сваи с арматурными выпусками на боковой поверхности,
сваи с неровной боковой поверхностью (винтовые, с арматурными
стержнями, приваренными к стволу сваи, рифленые), буродобивные, сваи с
расширяющимся кожухом и т.д. Приведены имеющиеся методы испытания
свай с неровной боковой поверхностью для определения несущей
способности оснований на примере винтовых свай. Детально
проанализированы существующие методы расчета несущей способности
мерзлых грунтов основания висячих свай, в т.ч. имеющих неровную боковую
поверхность. Обосновано повышение несущей способности мерзлых грунтов
основания при использовании ребристой боковой поверхности сваи:
предполагается, что грунт или грунтовый раствор под ребрами сваи работает
на сжатие, что гораздо эффективнее, чем работа грунта или грунтового
раствора на сдвиг по поверхности смерзания с материалом фундамента
(рис.1). Рассмотрены имеющиеся исследования технологических свойств
растворов для заполнения скважин буроопускных свай.
Рис.1. Изменение расчетных сопротивлений мерзлого песка в зависимости от
температуры, кПа (из СП 25.13330.2012).
Аргументирована необходимость:
- проведения обследования технического состояния зданий и
сооружений на территории Якутии с различными геокриологическими
7
условиями и выявления основных причин возникновения дефектов и
повреждений, разработки методики экспертной оценки поврежденности
системы «основание-фундамент» эксплуатируемых зданий и сооружений;
- изучения существующих способов повышения эффективности
использования потенциальной несущей способности мерзлых грунтов
основания свайных фундаментов висячего типа, анализа методов расчета
несущей способности многолетнемерзлых грунтов основания висячих свай и
разработки формулы расчета основания ребристых свай;
– проведения экспериментальных исследований несущей способности
мерзлых
грунтов
основания
свайных
фундаментов
выбранного
конструктивного решения;
- исследования технологических свойств существующих растворов для
заполнения скважин ребристых буроопускных свай;
– оценки технико-экономической эффективности предлагаемых
решений по повышению степени использования потенциальной несущей
способности мерзлых грунтов основания свайных фундаментов висячего
типа.
Сформулированы основные задачи исследований.
Во второй главе приведены результаты обследования в 2011-2018 гг.
технического состояния зданий и сооружений, построенных в период 19402010 гг. в геокриологических районах Центральной Якутии, горноскладчатой Верхояно-Колымской страны и северной части СреднеСибирского плоскогорья. Предложена методика для экспертной оценки
поврежденности эксплуатируемого здания или сооружения, учитывая
поврежденность системы «основание-фундамент». Получено распределение
поврежденности зданий и сооружений в трех геокриологических районах
Якутии в зависимости от принципа использования многолетнемерзлых
грунтов основания, проанализированы причины повышения поврежденности
и установлена ее связь с техническим состоянием зданий и сооружений
(рис.2).
Большинство зданий и сооружений, построенных по принципу II
использования многолетнемерзлых грунтов основания, имеют повреждения,
вызванные неравномерными просадками грунтов. Здания и сооружения,
обследованные в Северной части Средне-Сибирского плоскогорья, не
получили серьезных повреждений, за исключением тех случаев, когда
фундаменты не были доведены до проектных отметок.
Большинство получивших повреждения зданий и сооружений,
эксплуатируемых по I принципу, возведены на висячих сваях с гладкой
боковой поверхностью, установленных по буроопускной технологии, что
указывает об их низкой надежности при изменении геокриологических
условий, усугубляющейся тенденциями к повышению температуры грунтов
и степени их засоленности. Кроме того, низкая эффективность использования
потенциальной несущей способности мерзлых грунтов основания по боковой
поверхности свай приводит к большим материальным и трудовым затратам.
8
Это обстоятельство обуславливает необходимость внедрения новых
конструктивных решений свай, позволяющих увеличить эффективность
использования несущей способности оснований.
Рис.2. Поврежденность зданий и сооружений во всех
геокриологических районах
В третьей главе изложена методика и приведены результаты
исследования несущей способности мерзлых грунтов оснований по боковой
поверхности свай. Проведены лабораторные испытания моделей свай с
гладкой и ребристой боковой поверхностью на вдавливающие нагрузки.
Рассмотрены способы повышения несущей способности мерзлых
грунтов основания буроопускных свай по боковой их поверхности и
проанализированы результаты экспериментального исследования характера
передачи нагрузки к грунтам основания с помощью ребристых свай.
Рис. 3. График изменения деформации основания модели сваи по
времени при ступенчато-возрастающей нагрузке
9
Проведены испытания моделей висячих свай в мерзлых песках на
статические вдавливающие нагрузки (см. рис.3) для исследования влияния
геометрических параметров ребер на величину передаваемой нагрузки на
грунты основания, а также осуществлено сопоставление экспериментальных
и расчетных значений несущих способностей. Исследования влияния
геометрических параметров ребер на величину передаваемой нагрузки на
окружающие грунты основания ранее не проводились, однако имеются
данные по определению несущей способности наиболее близких к
предлагаемому решению винтовых свай (В.Н. Железков, В.Ф. Акопян, Попов
А.П., В.И. Аксенов, И.В. Крутиков, Р.М. Хафизов, А.Н. Цеева, M.P. Mitsch,
D.J.W. Zhang, M. Sakr M и др.; СП 25.13330.2012, СТО 56947007-29.120.9505-2010). С учетом этих данных, для определения несущей способности
ребристых свай нами редложена формула (1):
Fu   t  c ( RA   Rsh ,i Ash ,i   R реб ,i A реб ,i cos  ),
где γt - температурный коэффициент, учитывающий изменение
температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры
наружного воздуха; γc - коэффициент условий работы основания; R –
расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи; А – площадь
нижнего конца сваи на грунт; Rsh,i – расчетное сопротивление мерзлого
грунта сдвигу i-го слоя; Ash,i – площадь поверхности сдвига i-го слоя; Rреб,i –
расчетное давление на мерзлый грунт под нижней гранью i-го ребра; Aреб,i –
площадь опирания нижней грани i-го ребра; α – угол наклона ребер.
Результаты экспериментов (табл.1) показали, что с увеличением шага
между ребрами при постоянном значении угла наклона нижних граней,
равном 45 градусам, несущая способность по боковой поверхности опытных
свай уменьшается. Это вызвано уменьшением общей площади нижних
граней ребер. Такая же закономерность наблюдается для расчетных значений
несущей способности при увеличении шага ребер от 1/6 диаметра сваи (10
мм) до 5/12 диаметра сваи (25 мм), а при шаге 30 мм возрастает, хотя
площади граней ребер при шаге 5/12 и ½ диаметра сваи (25 и 30 мм) были
одинаковыми. Это объясняется тем, что в этих случаях работе на сжатие
подвержен одинаковый массив грунта (рис. 4, г, д), однако сопротивление
грунта на сдвиг действует в определенной зоне вблизи нижних граней ребер,
что подтверждается данными, приводящимися для винтовых свай, когда
работа грунта на сдвиг при шаге лопастей, превышающем 1/3 диаметра
лопастей, не учитывается. Поэтому при шаге, не меньшем 30 мм (1/2
диаметра сваи), не следует учитывать работу грунта на сдвиг. Расчетные
значения также больше опытных при шаге 10 мм (1/6 диаметра сваи), что
объясняется тем, что в этом случае происходит наложение нормальных
напряжений соседних ребер (рис. 4,а), которое начинает проявляться, хоть и
не так сильно, при шаге, равном 15 мм (1/4 диаметра сваи, рис.4.,б). Поэтому
предложенная формула в полной мере применима только при шаге ребер 1/410
5/12 диаметра сваи (15-25 мм, рис. 4, б-г), так как в этих случаях не
происходит сильного наложения сжимающих напряжений от соседних ребер
и, в то же время, наиболее полно используется сдвиговая прочность
межреберного грунта.
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 4. Линии одинаковых нормальных напряжений (изобары) под
ребрами при шаге ребер, равном:
а – 1/6 dсв, б – 1/4 dсв, в – 1/3 dсв, г – 5/12 dсв, д – 1/2 dсв
При изменении угла наклона граней ребер от 45 до 55 градусов при
шаге их 1/3 диаметра сваи (20 мм) расчетная несущая способность
уменьшилась от 873 до 794 кгс, а опытная увеличилась от 1000 до 1400 кгс.
Увеличение экспериментального значения несущей способности при
изменении угла наклона граней ребер от 45 до 55 градусов является,
очевидно, результатом снижения наложения напряжений от соседних ребер
(рис.5,б-г). Дальнейшее увеличение угла наклона граней ребер привело к
уменьшению несущей способности, что связано с тем, что при этом
уменьшается вертикальная составляющая передаваемой нагрузки на грунты
(рис.5,д). В этом случае сдвиг межреберного грунта происходит после
наступления предельного состояния грунта под нижними гранями ребер. То
есть, при угле наклона ребер, стремящемся к 90°, грунт работает, как в
случае с гладкой сваей, и прочность будет обеспечиваться за счет
сопротивления грунта сдвигу по поверхности смерзания со сваей.
а)
б)
в)
г)
д)
Рис.5. Линии одинаковых нормальных напряжений (изобары) под
ребрами при угле наклона ребер, равном:
а – 40˚, б – 45˚, в – 50˚, г – 55˚, д – 60˚
11
В обратном случае - при уменьшении угла наклона граней ребер от 45
до 40 градусов при шаге их 20 мм (1/3 диаметра сваи) расчетная несущая
способность увеличилась от 873 до 915 кгс, а опытная уменьшилась от 1000
до 800 кгс, что объясняется увеличением наложения напряжений от соседних
ребер (см. рис. 5, а). То есть, когда угол наклона ребер стремится к 0°, грунт
работает как в случае с винтовой сваей, и можно пренебречь работой грунта
под ребрами на сжатие и учитывать только работу межреберного грунта на
сдвиг.
Формула, предложенная для расчета основания ребристых свай, в
целом, применима для оценки несущей способности с шагом ребер 1/4-5/12
диаметра свай (15-25мм для нашего случая) и с углом наклона граней ребер
45-60 градусов.
Таблица 1.
Расчетные и опытные значения несущей способности моделей
ребристых свай по боковой поверхности
№№
моделей
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Параметры моделей
n (кол-во
ребер)
10
7
5
4
4
5
5
5
5
Гладкая
l/d
α, гр.
1/6
1/4
1/3
5/12
1/2
1/3
1/3
1/3
1/3
45
45
45
45
45
40
50
55
60
Fрасч., кгс
Fопыт., кгс
(Fрасч.- Fопыт.)/
Fопыт.*100, %
1350
1099
873
761
845
915
820
794
705
465
1200
1100
1000
850
580
800
1200
1400
1000
450
11,14
-0,103
-14,55
-11,76
31,39
14,375
-31,67
-76,36
-29,5
3,3
Регрессионный анализ показал, что зависимости несущей способности
от изменения шага ребер можно описать экспоненциальным законом (рис.6.),
а зависимость несущей способности от изменения угла наклона ребер
описывается кубической функцией (рис.7.)
Рис.6. Регрессионный анализ зависимости несущей способности от
изменения шага ребер
12
Рис.7. Регрессионный анализ зависимости несущей способности от
изменения угла наклона ребер
Проведены испытания на условно-мгновенную прочность грунтов при
использовании предлагаемого вида свай для установления характера
деформирования грунта в околосвайном пространстве. На разрезах было
видно, что между ребрами моделей свай происходит сдвиг межреберной
части грунта. Такое деформирование грунта было замечено Аксеновым В.И.
и др. при испытании моделей винтовых свай и условно было названо
«компрессионным сжатием». В работе отмечено, что деформирование слоев,
вовлеченных лопастями (ребрами) сваи, происходит, по всей видимости, на
стадии сдвига, поскольку при нагрузках меньших, чем прочность грунта на
сжатие, такая картина деформирования слоев не должна иметь место. В
нашем случае компрессионное сжатие не проявляется в чистом виде
вследствие наклона граней ребер. Аналогичная картина наблюдалась и на
образцах грунта вокруг сваи с шагом ребер 25 мм (5/12 диаметра сваи), а на
боковой поверхности гладкой сваи остается смерзшийся и деформированный
слой грунта толщиной до 5 мм.
В четвертой главе приведены методика и результаты изучения
прочностных свойств и технологических характеристик грунтовых растворов
при использовании ребристых свай:
- определение температуры и продолжительности замерзания
грунтовых растворов;
- определение сопротивления грунтовых растворов сдвигу по
поверхностям смерзания;
- изучение миграции влаги в грунтовых растворах и льдообразования
на поверхностях смерзания;
- определение марочной прочности грунтовых растворов.
Как было установлено многими учеными (Н.А. Цытович, С.С. Вялов,
А.А. Жигульский, И.Н. Вотяков, Ю.И. Гончаров и др.), прочность смерзания
грунта с материалом сваи зависит не только от температуры, типа грунта, его
13
гранулометрического состава, но и от влажности грунта и технологии
устройства свай, условий промерзания и других факторов. В связи с этим
были проведены исследования по установлению технологических
характеристик грунтовых растворов для заполнения скважин буроопускных
свай: процесса миграции влаги в грунтовом растворе, температуры и
продолжительности замерзания грунтовых растворов, марочной прочности и
сопротивления на одноплоскостной срез по поверхностям смерзания
материала сваи с грунтовым раствором и грунтового раствора с грунтом.
Исследование процесса миграции влаги в грунтовом растворе в
процессе промерзания буроопускных свай показало:
- миграция влаги во всех случаях направлена к фронту с более низкой
температурой;
- при погружении сваи в грунтовый раствор на ее поверхности
образуется:
- при температуре -20°С сплошной слой льда;
- при температуре -3°С прерывистый лед или прожилками;
- при положительной температуре лед не образуется.
Аналогичные исследования, проведенные для бетонных моделей
ребристых свай, показали, что во всех случаях лед образуется на нижних и
верхних гранях ребер, в пространстве между ребрами лед не образуется.
Определение влажности раствора при погружении сваи с начальной
положительной температурой показало, что влажность раствора вблизи
граней ребер и в межреберном пространстве приблизительно одинакова. При
исследовании сваи с начальной температурой, равной -20˚С, влажность
раствора вблизи нижних граней ребер составила 23%, когда как влажность
раствора ближе к верхним граням ребер составила около 21%. В
межреберном пространстве влажность раствора уменьшилась до 16,14%, что
говорит о том, что при начальной отрицательной температуре раствора, влага
мигрирует к выступающим частям.
При использовании ребристых свай на их ребрах образуется тонкий
слой льда. В ребристых сваях нагрузка передается нижними гранями ребер и
грунт или грунтовый раствор работает преимущественно на сжатие,
вследствие чего наличие льда, предположительно, не будет значительно
снижать несущую способность основания.
Температура и продолжительность замерзания определялись для
следующих видов растворов: известково-грунтового с содержанием извести
5%, 25% и 34%, известково-песчаного с содержанием извести 34%,
цементно-песчаного (рис.8). Наиболее близкую к 0°С температуру
замерзания, равную около -0,1°С, имеет известково-грунтовый раствор с
содержанием извести 25%. Наименьшую температуру замерзания, близкую к
-0,4°С, имеет цементно-песчаный раствор. По продолжительности
замерзания все растворы мало отличаются (40-46 часов) и только известковогрунтовый раствор имеет продолжительность замерзания, равную 61 ч.
14
Рис.8. Результаты определения температуры замерзания грунтовых
растворов
Для определения влияния начальной температуры грунтового раствора
на
продолжительность
и
температуру
замерзания
проведены
соответствующие исследования известково-грунтовых растворов с
содержанием
извести
25%.
При
температуре
40°С
средняя
продолжительность замерзания растворов составила 86,1 минут, а при
температуре 18°С – 80,2 минуты, т.е. влияние начальной температуры
растворов на продолжительность их замерзания незначительно.
Продолжительности набора температуры окружающей среды разных
растворов мало отличаются (40-46 часов) и только цементно-грунтовый
раствор имеет продолжительность замерзания, равную 61 ч.
Испытания грунтовых растворов на одноплоскостной срез (рис.9)
показали, что:
– сопротивление на сдвиг по поверхности смерзания с грунтом в
среднем на 31% выше, чем сопротивление на сдвиг по поверхности
смерзания с бетоном;
– сопротивление на сдвиг грунтовых растворов на основе цемента по
поверхности смерзания с грунтом меньше, чем с бетоном;
– сопротивление на сдвиг грунтовых растворов на основе извести по
поверхности смерзания с грунтом и бетоном приблизительно одинаковы.
15
Рис.9. Результаты испытаний грунтовых растворов на одноплоскостной срез
по поверхности смерзания с материалом фундамента и грунтом
Исследования марочной прочности грунтовых растворов показали, что
сопротивление стандартных образцов, изготовленных из грунтовых
растворов, на изгиб очень незначительны – зафиксировать удалось только
сопротивление известково-грунтового раствора. Наибольшей марочной
прочностью на сжатие обладает цементно-песчаный раствор – М75.
Остальные растворы по прочности располагаются в следующем порядке:
цементно-грунтовый (марка М50), грунтовые растворы на основе извести
(марка М25). При хранении при температуре -3°С грунтовый раствор на
основе извести не набирает прочность, цементно-песчаный раствор набирает
прочность на 40%, цементно-грунтовый раствор – на 50%.
Для выявления относительных преимуществ существующих грунтовых
растворов при взаимодействии их с ребристыми сваями проведены
испытания на условно-мгновенную прочность основания. Испытывались
грунтовые растворы с известковым и цементным вяжущими с заполнителем
из мелкого речного песка и бурового шлама (супеси), т.е. цементнопесчаный, цементно-грунтовый, известково-песчаный и известковогрунтовый растворы. Результаты испытаний (рис.10) показали, что
наибольшую прочность имеют образцы с цементно-грунтовым раствором
(4539 кгс), наименьшую – известково-песчаным раствором (3631 кгс) с
разницей в 25%. Образцы с цементно-песчаным и с известково-грунтовым
растворами имеют прочности, равные 4179 и 3888 кгс соответственно.
Прочность образцов грунтовых растворов с буровым шламом при
взаимодействии их с ребристыми сваями незначительно отличается от
прочности растворов с песком (в среднем на 8% больше). Следовательно,
буровой шлам может найти применение для приготовления грунтового
раствора–заполнителя скважин.
16
Рис.10. Результаты определения несущей способности основания по боковой
поверхности моделей ребристых свай в различных грунтовых растворах
В пятой главе представлен анализ рынка и рисков, потенциальных
потребителей при запуске производства предлагаемого вида свай, показан
экономический эффект при применении предлагаемого вида свай и анализ
стоимости грунтовых растворов на основе цементных и известковых
вяжущих с заполнением песком и буровым шламом (супеси).
Подавляющее большинство зданий и сооружений на территории
Якутии построены на буроопускных висячих сваях по I принципу
использования многолетнемерзлых грунтов основания. По данным
Федеральной службы государственной статистики республика имеет
высокий удельный вес аварийных зданий (табл.2). Ремонтновосстановительные работы поврежденных зданий и сооружений и возведение
новых (при экономической нецелесообразности или отсутствия технической
возможности восстановления существующих зданий и сооружений) связано с
большими финансовыми затратами. В дальнейшем, при строительстве
зданий и сооружений, для повышения их эксплуатационной надежности
целесообразно внедрять предлагаемые решения устройства буроопускных
висячих свай.
Предварительный расчет показал, что при применении ребристых свай
при установке их по буроопускной технологии даже при заполнении скважин
традиционным цементно-песчаным раствором затраты на устройство
фундаментов можно снизить до 37% вследствие изменения характера
нагрузки на грунты. Средний экономический эффект при внедрении
предлагаемого вида свай составит 2163,27 млн. руб/год.
17
Таблица 2
Удельный вес аварийного и ветхого жилищного фонда
в Республике Саха (Якутия)
2004
Общая площадь жилых
18502,4
домов, тыс. м2
Удельный вес ветхого и
аварийного жилья во
12,1
всем жилищном фонде,
процентов
2006
2008
2009
18587,4 18902,8 19137,3
12,7
15,6
15,1
2010
2011
2012
19341 19488,3
19750
14,4
13,6
13,8
2013
2014
19665 20212,7
14,4
14
2015
2016
20629,7 20887,4
16,6
16,5
Расчет экономической эффективности известково-грунтовых растворов
на основе 25% извести показал, что технологическими преимуществами
применения таких растворов являются сокращение сроков набора их
прочности и повышение температуры замерзания, что значительно сократит
сроки строительства зданий и сооружений.
18
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. В результате обследования технического состояния зданий и
сооружений в трех геокриологических районах Якутии выявлены основные
причины снижения несущей способности оснований, эксплуатируемых по
обоим принципам использования грунтов основания. Большинство
поврежденных зданий и сооружений, эксплуатируемых по I принципу,
возведены на висячих сваях с гладкой боковой поверхностью, установленных
по буроопускной технологии. Это указывает на низкую их надежность при
изменении геокриологических условий, что усугубляется тенденциями к
повышению температуры грунтов и степени их засоленности. Все
вышеперечисленное обуславливает необходимость внедрения новых
конструктивных решений свай, позволяющих увеличить эффективность
использования несущей способности оснований. Предложена методика для
экспертной оценки поврежденности эксплуатируемых зданий и сооружений,
применимость которой подтверждается сопоставлением расчетных данных и
фактическим техническим состоянием обследованных зданий и сооружений.
2. Анализ научной и нормативной литературы показал наличие
множества предлагаемых конструктивных решений для увеличения
эффективности использования несущей способности многолетнемерзлых
грунтов оснований. На наш взгляд, наиболее рациональным является
применение свай с неровной
боковой поверхностью, эффективность
применения которых была доказана отечественными и зарубежными
учеными. Тем не менее, исследование влияния геометрических параметров
ребер гофрированных (или ребристых) свай на несущую способность
основания ранее никем не было произведено, что и обусловило направление
нашего исследования. На основе анализа методик расчета наиболее близких к
предлагаемому решению винтовых свай, а также данных, полученных по
результатам испытаний моделей висячих свай на вдавливающие нагрузки,
предложена формула расчета несущей способности основания ребристых
свай.
3. Экспериментальные исследования моделей висячих свай на
статические вдавливающие нагрузки выявили зависимость несущей
способности основания свай от наличия ребер на боковой поверхности свай и
их геометрических параметров (шага, угла наклона ребер).
4. Проведены исследования свойств грунтовых растворов для
заполнения скважин буроопускных свай, которые выявили зависимость
прочностных (марочная прочность, степень набора марочной прочности при
отрицательных температурах, прочность по боковой поверхности ребристой
сваи, прочность смерзания грунтового раствора с материалом сваи и
окружающим грунтом, исследование процесса миграции влаги в грунтовых
растворах) и технологических свойств (продолжительность, температура
замерзания) от вида грунтового раствора. Испытания моделей ребристых
свай для изучения зависимости несущей способности ребристых свай от вида
19
грунтового раствора, показали, что грунтовые растворы на основе бурового
шлама (супеси) с добавлением 25% извести, могут найти применение для
заливки в скважины для установки свай по буроопускной технологии.
5. Анализ рынка и рисков, потенциальных покупателей и сравнение
технико-экономических показателей выявили, что изготовление и внедрение
в строительное производство ребристых железобетонных свай, а также
известково-грунтовых растворов на основе 25% извести и бурового шлама
перспективно. Ориентировочный объем рынка в Республике Саха (Якутия)
равен 4,532 млрд. руб./год, что обуславливается ростом темпов
строительства, высоким удельным весом аварийного и ветхого жилья. При
внедрении предлагаемых решений в других регионах распространения
вечномерзлых грунтов данный объем может значительно увеличиться.
20
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В
СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации
основных результатов

Набережный А.Д., Кузьмин Г.П., Посельский Ф.Ф. Анализ
причин снижения несущей способности оснований и фундаментов в
геокриологических условиях Якутии // Промышленное и гражданское
строительство. – 2016. - №8. – С.64-69.

Набережный
А.Д.,
Саввина
А.Е.
Экспериментальные
исследования висячих свай и способы повышения их несущей способности //
Промышленное и гражданское строительство. – 2016. - №8. – С.70-74.

Посельский Ф.Ф., Филиппов В.В., Набережный А.Д., Рыков А.В.
Об обрушении галереи в поселке Айхал Республики Саха (Якутия) //
Промышленное и гражданское строительство. – 2013. - №8. – С.22-24.
Статьи и публикации в других изданиях:

Набережный А.Д. Повышение несущей способности свай в
условиях вечномерзлых грунтов // В сб. конф. «Строительство –
формирование среды жизнедеятельности», 2016 – С. 1058-1061.

Набережный А.Д., Кузьмин Г.П. Разработка свай с повышенной
несущей способностью в мерзлых грунтах // В сб. Всероссийской
молодежной научно-практической конференции «Геонауки: проблемы,
достижения и перспективы развития», 2018. – С.145-147.

Набережный А.Д. Исследование работы ребристых свай в
условиях многолетнемерзлых грунтов // В сб. конф. «Ломоносов-2016», 2016.

Набережный А.Д., Ядрихинский Д.В., Пинигин В.В. Методика
исследования влияния формы боковой поверхности свай на несущую
способность висячих свай в мерзлых грунтах // В сб. конф. «Современные
проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество,
энерго- и ресурсосбережение», 2016. – С.335-339.

Набережный
А.Д.
Анализ
эффективности
технологии
обустройства фундаментов в условиях многолетнемерзлых грунтов // В сб.
Международной научно-технической конференции молодых ученых и
исследователей, 2010.

Докторов И.А., Кардашевский А.Г., Набережный А.Д., Лавров
М.Ф. Малоэтажное строительство в Якутии: Часть 9. Особенности
устройства фундаментов деревянных зданий // Энергосбережение в Якутии. –
2017. - №3(33). – С.32-37.

Кардашевский А.Г., Набережный А.Д., Слободчиков Е.Г.
Малоэтажное строительство в Якутии: Часть 12. Каменные дома: выбор типа
фундамента // Энергосбережение в Якутии. – 2018. - №1(37). – С.32-35.
21

Кардашевский А.Г., Григорьев Д.А., Набережный А.Д.
Малоэтажное строительство в Якутии: Часть 13. Каменные дома:
особенности устройства буронабивных малозаглубленных свай //
Энергосбережение в Якутии. – 2018. - №2(38). – С.30-33.
22
Подписано в печать 19.09.2018. Формат 60х84/16.
Гарнитура «Таймс». Печать цифровая.
Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 227.
Издательский дом Северо-Восточного федерального университета,
677891, г. Якутск, ул. Петровского, 5.
Отпечатано в типографии ИД СВФУ
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
1 415 Кб
Теги
свай, грунтов, мерзлых, ребристых, несущей, буроопускных, способностей, основания, исследование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа