Глава 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РАСЧЕТНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
- Методика и состав исследований. Измерительная аппаратура
Для проверки основных расчетных положений и уточнения физической картины взаимодействия свай с окружающим грунтом были проведены широкие комплексные исследования системы "свая (группа свай) - грунтовое основание" с изучением напряженного состояния в сваях, на контакте с грунтом и в грунтовом массиве, перемещений и деформаций.
Лабораторные и полевые статические испытания одиночных свай и групп свай из стальных труб со свободным и защемленным верхним сечением выполнены в песках разной плотности сложения и степени влажности, а также в глинистых грунтах различной консистенции (табл. 1).
Лабораторные исследования проводились в трехсекционном железобетонном лотке глубиной 2,5 м с размерами в плане каждой секции 2,5x5 м (опыты с моделями одиночных свай типов А, Б, В и Г) и в двухсекционном лотке глубиной 4 м с размерами в плане 5 х 5 м (опыты с моделями одиночных свай и групп свай типов Д и К). В обоих случаях основанием служил песок средней крупности с несколько отличным зерновым составом. Для различных серий опытов значения физико-механических свойств песков изменялись в следующих пределах: плотность Pd от 1,61 до 1,76 г/см3, коэффициент относительной плотности от 0,45 до 0,74; угол внутреннего трения от 33 до 37°.
Таблица 1
Таблица 1 (окончание)
Примечания. 1. Одиночные сваи типов Б, В и Д, а также группы из свай типа Д-П испытывались как со свободным, так и с защемленным верхним концом. Эксперименты с группами свай типа Д-IV, Д-V осуществлялись путем приложения горизонтальной нагрузки к ростверку, объединяющему головы.
2. В опытах с группами свай варьировались расстояния между осями взаимодействующих опор в пределах от 2d до 10d и угол между направлением действия горизонтальной силы и линией, соединяющей центры свай, который имел значения 0=0° (180°); 30° (150°); 45° (135°); 90°.
Контроль плотности сложения грунта засыпки производился посредством легких забивных зондов; для этого были предварительно организованы работы по тарированию их путем параллельного зондирования и отбора проб песка стандартным режущим цилиндром со съемными кольцами для определения плотности и влажности грунта традиционным методом. Это дало возможность проанализировать влияние влажности на зависимость pd=f(Nу), где Nу - число ударов молота на 10 см погружения зонда. Как и следовало ожидать, в водонасыщенных песках сопротивление зондированию оказалось значительно меньше (более чем в 2 раза), чем в маловлажных.
Полевые испытания свай выполнялись на трех площадках, сложенных глинистыми грунтами. Погружение свай типов С-1, С-2 и С-3 в естественный грунт осуществлялось задавливанием (рис. 15). Статическую ступенчато-возрастающую нагрузку создавали посредством винтового домкрата или нагрузочного сектора, рассчитанных на усилие до 200 кН. Повторную одного знака и знакопеременную нагрузки на сваи типа Д создавали с помощью винтового домкрата. В случае повторяющейся нагрузки одного знака связь винта домкрата через датчик усилий со сваей осуществлялась через трос, при знакопеременной нагрузке — через жесткую штангу, шарнирно соединенную со сваей. Все испытания проводились с силовым нагружением, т. е. с контролем уровней нагрузок. Время выдержки ступеней горизонтальной нагрузки, равной 1/10 ожидаемой предельной, принималось согласно ГОСТ 5686-78.
Рис. 15. Схема установки для задавливания опытных свай длиной до 4 м (а) и более 4 м (б):
1 — опытная свая; 2 — передвижная тележка с грузом; 3 — гидродомкрат; 4 — анкерная свая; 5 — винтовой домкрат; 6 — грузовая платформа; 7 — мертвый груз; 8 — разъемные направляющие
На каждой ступени статической и повторной нагрузок по достижении условной стабилизации перемещений производился следующий комплекс наблюдений:
а) фиксация действующей на сваю нагрузки и обеспечение ее постоянства на отдельных этапах;
б) измерение контактного давления грунта на лицевую и тыловую поверхности свай (типов А, Б, К); в) определение напряженного состояния околосвайного массива грунта; г) измерение горизонтальных деформаций стволов свай; д) регистрация деформаций материала моделей; е) измерение перемещений и углов поворота верхнего сечения.
Рис. 16. Схема испытания свайных кустов (тип К):
1 - датчик усилий ДУ-10; 2 — реперная система; 3 - прогибе мер 6 ПАО-ЛИСИ; 4 - уклономер ДУП-1; 5 - датчики изгибающих моментов; 6 - датчики контактного давления ДГК-3; 7 - мессдозы ЦНИИСК
Кроме того, при испытаниях на многократно повторные воздействия измерялись перемещения голов свай после 1, 2, 5, 10,15, 25, 35 и т. д. циклов, а также регистрировались деформации материала после 1, 10, 35, 55 и т. д. циклов нагружений.
При организации экспериментов предусматривалось обеспечение необходимой надежности результатов измерений, для чего опыты многократно дублировались (5-7 испытаний).
Для измерения давления грунта на цилиндрическую поверхность свая типа А была оснащена 37 трехкомпонентными грунтовыми динамометрами ДГК-3, расположенными по лицевой образующей, в нижней части тыловой образующей и на трех уровнях по периметру опоры.
Свая типа Б была оснащена 17 грунтовыми динамометрами с одной полной установкой датчиков по периметру. Кроме того, один грунтовый динамометр устанавливался в нижней, донной части сваи, для измерения сил трения по ее подошве при горизонтальных перемещениях.
Сваи типа К были укомплектованы 14 трех компонентными грунтовыми динамометрами, расположенными по лицевой образующей и в нижней части тыловой образующей (рис. 16), с этой целью в теле свай были предусмотрены прямоугольные прорези и специальные кронштейны для крепления датчиков.
Напряжения в основании в пределах активной зоны массива грунта (опыты со сваями типов А, Б и К) измеряли 20-30 мессдозами конструкции ЦНИИСК с рабочим диапазоном давлений 0-0,4 и 0-1,0 МПа.
Для определения поверхностных напряжений в 10-15 сечениях по высоте свай всех типов в специальных гнездах на отшлифованную поверхность наклеивались тензорезисторы с базой 20 мм и сопротивлением R = 100-200 Ом, соединенные по полумостовой схеме. Опыты в водонасыщенных грунтах потребовали надежной
гидроизоляции, которая была произведена с помощью тиоколового герметика. Чтобы исключить ошибки при аналитическом пересчете результатов показаний датчиков, выполняли тарировку моделей на чистый изгиб в двух вариантах загружения сосредоточенной силой по схеме балки, опирающейся на две опоры.
Деформации стволов свай (типов А, Б, В и Г) фиксировались прогибомерами часового типа 6ПАО-ЛИСИ с ценой деления 0,01 мм, для чего в грунте в нескольких уровнях по высоте размещались специальные трубки, через которые осуществлялся свободный пропуск струн от прогибомеров к свае. Для свай типов С-1, С-2, С-3 и К деформации стволов регистрировались посредством аппаратуры, включающей уклономер, направляющее устройство и систему подъема и опускания уклономера (см. ниже). Для получения упругой оси сваи рабочий полоз, служащий для перемещения датчика и копирующий изгиб сваи, условно разбивался на равные интервалы длиной 20 см и в этих фиксированных точках неоднократно (не менее трех раз) снимались отсчеты датчиком ДУП-1. Затем по известным углам поворота упругой оси и перемещениям верхнего сечения свай вычислялись горизонтальные деформации ее ствола.
При проведении исследований основное внимание уделялось непосредственному измерению контактного давления по длине свай и перемещений точек, необходимых для построения кривых нелинейного деформирования (δ или р, и) и определения коэффициента горизонтальной сопротивляемости основания к - основных параметров предлагаемого метода расчета.
Обычно при исследованиях свайных конструкций о работе системы "свая—грунт" судят только по перемещениям голов свай и усилиям в них без непосредственного изучения напряженно-деформированного состояния в толще активной зоны грунта и на контакте со сваями, что делает опытные результаты пригодными лишь для конкретных условий эксперимента. Такой подход, во-первых, объясняется значительными трудностями измерения давления грунта в пространственных условиях, которые связаны с неоднородностью грунта как материала, с непостоянством его свойств при действии нагрузки, со свойством сыпучих тел образовывать своды при взаимных смещениях частиц и т. д; во-вторых - сложностью измерения перемещений стволов свай uz, особенно при полевых испытаниях.
Обеспечение комплексного характера экспериментальных исследований потребовало создания и внедрения в практику лабораторных и полевых испытаний свай новых технических средств.
Для измерения реактивного давления грунта был создан трех компонентный грунтовый динамометр контактного типа ДГК-3 [19], с помощью которого можно регистрировать все три составляющие полного давления грунта на поверхность любого профиля, в частности - цилиндрическую. Предварительно было разработано несколько конструктивных схем механической части грунтового динамометра, основные модели которых выполнялись из оптически активного материала (эпоксидная смола ЭД-6) и исследовались в поляризованном свете на полярископе. Грунтовый динамометр (рис. 17) состоит из измерительного элемента I и силовоспринимающего органа II — жесткой плиты, лицевая поверхность которой копирует контактную поверхность исследуемого сооружения. Измерительный элемент выполняется из высокопрочной легированной стали 30ХГСА и состоит из двух симметрично расположенных относительно опорной пяты III Т-образных элементов IV, объединенных жесткой замкнутой рамой, на торцах которой устроены температурные компенсаторы с приливами V для крепления силовоспринимающей плиты. Напряженно-деформированное состояние Т-образных элементов под действием измеряемых нагрузок от давления грунта преобразуется в электрический сигнал посредством наклеенных на них малобазных тензорезисторов с базой 5 мм и сопротивлением R = 100—200 Ом. Для регистрации нормальной, поперечной и продольной компонент контактного давления грунтовый динамометр имеет три мостовые схемы со всеми активными тензорезисторами 7 — 2-3-4; 5-6-7-8; 9-10-11-12 соответственно, местоположение которых определено испытаниями на полярископе. Рекомендуемая схема наклейки и коммутации тензорезисторпв обеспечила максимальную чувствительность прибора, компенсацию неравномерности приложения нагрузки по площади силовоспринимающей плиты, возможность измерения нормальной и двух касательных составляющих давления грунта на контактную поверхность при практически полном отсутствии их взаимного влияния, а также отсутствие температурного влияния на результаты измерений.
Рис. 17. Конструкция трехкомпонентного грунтового динамометра ДГК-3
В результате расчетных и экспериментально-тарировочных работ на специальном стенде, позволяющем имитировать совместное приложение нагрузок и действие каждой из них в отдельности, было изготовлено, два типоразмера грунтовых динамометров ДГК-3, отличающихся сечением Т-образных элементов.
В качестве вторичной регистрирующей аппаратуры применялся измеритель статических деформаций Т-2 с диапазоном измерения относительных деформаций 28х10(±14%) и минимальным значением отсчета 0,5-10-3, отличающийся высокой надежностью в эксплуатации.
Для того чтобы оценить погрешность грунтовых динамометров ДГК-3 при взаимодействии с грунтом проводились опыты со штампом, в который были вмонтированы пять динамометров. В результате установлено, что максимальная погрешность прибора при измерении реактивного давления песчаного грунта составляет 5-10% при малых нагрузках. При увеличении нагрузок и деформаций основания до состояния, близкого к предельному, погрешности снижаются практически до нуля, т. е, в этих условиях эффекты сводообразования или концентрации давлений не существенны и могут не учитываться. Это особенно важно при исследовании гибких де- формативных конструкций, когда имеют место перемещения грунта относительно контактной поверхности.
Рис. 18. Устройство для измерения деформации ствола сваи:
1 — уклономер ДУП-1; 2 — ползун с электромагнитом; 3 — направляющий стальной полоз; 4 - система подъема- спуска уклономера
Не менее сложным является измерение горизонтальных перемещений ствола сваи u(z) при полевых испытаниях. Поэтому при интерпретации экспериментальных данных исследователи вынуждены приближенно задавать форму изогнутой оси посредством степенных рядов или полиномов или описывать ее уравнениями, использующими результаты достаточно грубых наблюдений. Для получения графиков
Известно весьма ограниченное число исследований свай, оснащенных уклономерами (инклинометрами). Для проектирования свайных фундаментов гидротехнических сооружений представляют интерес результаты крупномасштабных экспериментов со сваями большой длины. Сложность организации измерений наклонов заключается в необходимости изготовления и установки большого количества стационарных уклономеров или высокоточных уклонометрических труб, копирующих изгиб свай. Для натурных экспериментов была разработана аппаратура, позволяющая непрерывно (с помощью осциллографирования) или дискретно регистрировать изгиб свай при любом сочетании внешних нагрузок [18]. Она включает (рис. 18) уклономер-датчик для измерения углов поворота ДУП-1; направляющее устройство, по которому происходит его перемещение вверх-вниз; систему подъема и спуска с пультом управления. Основные параметры ДУП-1: максимальный угол отклонения ±20°, точность измерения 0,5 · 10-3 рад, габариты 200x90x80 мм, масса 4,5 кг. В качестве вторичной регистрирующей аппаратуры применялся измеритель статических деформаций типа Т-2.
Учитывая сложность использования специальной измерительной аппаратуры (грунтовые динамометры, уклономеры), для определения коэффициента горизонтальной сопротивляемости грунта и получения графиков р, и (или σ, и) может быть рекомендован также способ, представленный на рис. 19. По значениям предварительно протарированных датчиков сопротивления (тензорезисторов) можно оценить изгибающие моменты по длине сваи. Двукратное интегрирование эпюры моментов Μ(z) с использованием замеренных перемещений головы сваи в точке приложения горизонтальной силы и на уровне поверхности грунта позволяет получить графики смещений ствола сваи. Дважды дифференцируя эпюру моментов, определяют интенсивность реактивного отпора, включая и силы трения по боковой поверхности:
(34)
где z - координата глубины.
Только в случае проведения точных измерений Μ(z) и применения специальной методики обработки экспериментальных данных можно использовать двойное численное дифференцирование, в противном случае оно может давать существенные ошибки.
Рис. 19. Принципиальная схема для определения отпора грунта и прогибов сваи по эпюре изгибающих моментов
Для получения достоверных значений отпора грунта p(z) применялся метод, в котором наряду с методом наименьших квадратов используются значения М(z) в пяти точках экспериментальной кривой [43]. Окончательное выражение для определения ρ(z) имеет вид
где H0, M0 - действующие внешние нагрузки; l — длина сваи.
Расхождение при проверке первого условия обычно не превышало 10%, при проверке второго - 15 %.
Следующим шагом в развитии экспериментальных методов исследования горизонтально нагруженных свай и свайных групп следует считать измерение напряжений в пределах активной зоны массива грунта. Эти исследования позволяют решить следующие задачи:
а) проверить возможность использования внутренних преобразователей напряжений - мессдоз для изучения напряженного состояния около относительно узких объектов, каковыми являются сваи;
б) проверить соответствие показаний датчиков контактного типа ДГК-3, установленных по периметру исследуемой опоры, и мессдоз, размещенных вблизи сваи (7-10 см);
в) размещение мессдоз в плане (на нескольких уровнях по высоте) позволяет получить качественную и количественную картину распределения напряжений в массиве грунта (изобары напряжений), что необходимо для уточнения схемы работы сваи в составе фундамента (одиночная или свая в группе).
Результаты этих исследований приобретают самостоятельное значение при расчете одиночных и групп свай на горизонтальную нагрузку по теории линейно-деформируемого полупространства.
Применяемые в фундаменте строении для исследования напряженного состояния грунта преобразователи напряжений могут быть подразделены на две группы. К первой группе относятся преобразователи напряжений в виде тонких резиновых дисков, приведенный модуль упругости Епр которых соответствует модулю деформации среды Ес или значительно ниже его, что существенно снижает их влияние на распределение деформаций и напряжений в месте установки. Наибольшее распространение здесь нашли мессдозы, разработанные в НИС Гидропроекта. Использование их при изучении сложного и неравномерного напряженного состояния грунта перед сваей в принципе следует признать весьма желательным. Однако при переменном модуле деформаций среды требование согласования жесткости мессдозы с жесткостью среды становится практически трудно осуществимым. Теория и эксперименты показывают, что в случае соблюдения требований к геометрическим размерам (d/t=10-20, где d - диаметр мессдозы, t - ее высота) достаточно надежные результаты при измерении внутренних напряжений можно получить, применяя жесткие приборы, приведенный модуль упругости Епр которых приблизительно на порядок превышает максимальный модуль деформации среды Ес. Этим требованиям отвечают преобразователи напряжений, относящиеся ко второй группе приборов, среди которых наибольшей надежностью и высокими измерительными свойствами обладают мессдозы конструкции ЦНИИСК [29]. Для изучения напряженного состояния около свайного грунта были выбраны тензометрические мессдозы с гидравлическим преобразователем конструкции ЦНИИСК (тип М 70/11), диаметром 70 мм, высотой 10 мм с диапазоном измеряемых давлений 0-0,4 МПа и 0-1,0 МПа.
