Исследование особенностей конструкции и технологии возведения свайных оснований гидротехнических сооружений в том числе мостов в сложных геологических

Актуальность темы исследования: Проблема рационального проектирования свайных фундаментов актуальна в области современного фундаментостроения. Эта проблема особенно актуальна при строительстве в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, в которых во многих случаях подходящим, а иногда и единственным возможным и приемлемым решением является использование свайных фундаментов. Как показывает практика, доля затрат на возведение подземных сооружений зданий и сооружений на свайных основаниях составляет до 20% от общего объема бетона и железобетона, используемых в строительстве.
Одним из важнейших направлений повышения экономической эффективности и надежности свайных фундаментов является совершенствование методов их расчета и проектирования.
Степень разработанности темы исследования: Основой для совершенствования методов расчета свай послужили работы в области механики грунтов ведущих специалистов нашей страны, таких как М.Ю.Абелев, Ю.М.Абелев, В.Г.Березанцев, С.С.Вялов, А.Л.Гольдин, М.Н.Гольдштейн, М.И.Горбунов-Посадов, Б.И.Далматов, Б.И.Дидух, К.Е.Егоров, Ю.К.Зарецкий, П.Л.Иванов, В.А.Ильичев, П.А.Коновалов,A.Л.Крыжановский, М.В.Малышев, В.В.Соколовский, Е.А.Сорочан, С.Н.Сотников, З.Г.Тер-Мартиросян, С.Б.Ухов, В.А.Флорин, В.И.Шейнин, Р.С.Шеляпин, Н.А.Цытович и многих других.
Большая заслуга в деле систематизации результатов исследований и совершенствования методов расчета и проектирования свайных фундаментов принадлежит В.А.Барвашову, А.А.Бартоломею, Б.В.Бахолдину, А.С.Буслову, Г.И.Глушкову, В.Н.Голубкову, Н.З.Готман, А.А.Григорян, Х.А.Джантимирову, Н.М.Дорошкевич, Н.Т.Жадрасинову, В.В.Знаменскому, Г.К.Клейну, Ю.М.Колесникову, Э.В.Костерину, С.В.Курилло, С.Н.Левачеву, Г.М.Лешину,B.В.Леденеву, А.А.Луге, А.А.Ободовскому, А.В.Паталееву, А.В.Пилягину, Б.А.Сальникову, К.С.Силину, З.Сирожиддинову, Н.К.Снитко, А.С.Строганову.
Достижения отечественных и зарубежных ученых, изучавших различные аспекты работы свайных фундаментов, позволили проектировщикам и строителям успешно решать сложные задачи по проектированию и возведению конструкций в сложных условиях с учетом необходимости сокращения сроков строительства и экономии средств. Разработка численных методов расчета, широко используемых в современном проектирование также способствовала решению этих проблем. Следует отметить, что вклад проектировщиков и строителей, которые способствовали внедрению новых научных разработок и методов расчета, дал начало жизни современных свайных технологий, обеспечил их апробацию на практике и способствовал развитию свайного направление в современном фундаментостроении.
Благодаря совместным усилиям ученых, проектировщиков и строителей достигнут значительный прогресс как в этой области строительства, так и в целом в строительстве, что позволило вывести проектирование свайных фундаментов на современный уровень.
Наряду с научными достижениями, развитием новых технологий и технической базы строительства, поиск их оптимального проектного решения имеет немаловажное значение для повышения экономической эффективности. Таким образом, одинаковую несущую способность свайного фундамента можно обеспечить различными способами: увеличить размер поперечного сечения свай, но уменьшить их длину, не изменять длину, а за счет увеличения поперечного сечения свай уменьшить их количество в фундаменте и так далее. Почти всегда есть возможность выбора оптимального решения, но это далеко не всегда очевидно, что ставит вопрос о разработке алгоритма его поиска, учитывающего не только взаимное влияние свай, когда они работают вместе, как часть фундамента, но и участие в работе высокого ростверка.
В связи с этим в данной диссертации поставлена задача изучить закономерности влияния работы свайного фундамента с грунтом от различных факторов, что, на мой взгляд, необходимо для успешного развития алгоритма для принятия оптимальных проектных решений для свайных фундаментов и, кроме того, для разработки практических и теоретических советов по этому вопросу.
Цель: Исследование особенностей конструкции и технологии возведения свайных оснований гидротехнических сооружений в том числе мостов в сложных геологических условиях.
Задачи:Исследование и анализ проектов свайных гидротехнических сооружений, возведенных в последнее время.
Изучение нормативных требований по выбору и обоснованию параметров свай и характеристик сваепогрузочного оборудования.
Изучение способов определения несущей способности свай, применительно к крупным гидротехническим объектам.
Разработка рекомендация по выбору параметров свайных фундаментов и технологии их возведения в зависимости от особенностей геологического строения участка
Объект – свайные основания гидротехнических сооружений
Предмет – конструкции и технологии возведения
Научная новизна: Теоретическое и экспериментальное обоснование конструкции свайных фундаментов мостов в сложных геологических условиях.
Теоретическая и практическая значимость исследования: поставленный вопрос является этапом совершенствования технологии возведения свайных фундаментов в сложных геологических условиях
Методология и методы исследования: анализ нормативной и научной литературы, изучение проектов, расчет сооружений и технологических процессов

Оглавление
Введение 3
1.Исследование и анализ проектов свайных гидротехнических сооружений, возведенных в последние время 7
1.1 Естественные условия района строительства Керченского моста 7
1.2 Конструкция свайного основания моста 10
1.3 Естественные условия района строительства моста Де-Фриз-Седанка 13
1.4 Конструкция опоры моста 20
1.12 Выводы по главе 1 24
2. Нормативные требования по выбору и обоснованию параметров свай и характеристики сваепогрузочного оборудования. 26
2.1. Основные указания по расчёту свайного фундамента 26
2.2. Требования к конструированию свайных фундаментов 31
2.3. Основные критерии выбора молота 37
2.4. Классификация и критерии выбора вибропогружателей 39
2.5 Критерии выбора копра при вибропогружении свай 42
2.6 Выводы по главе 2 43
3. Исследование взаимодействия свай между собой и массивом грунта 45
3.1 Анализ литературы взаимодействия свай с массивом грунта 45
3.2 Параметры модели опоры. Мост Дефриз-Седанка 58
3.3 Параметры модели, опоры. Керченский пролив 68
3.5 Технология выполнения свайного основания Керченского моста 74
3.6 Технология выполнения свайного основания моста Дефриз-Седанка 77
3.7 Выводы по главе 3 79
4 Разработка рекомендация по выбору параметров свайных фундаментов и технологии их возведения в зависимости от особенностей геологического строения участка 81
4.1 Особенности расчета свайного фундамента мостов 81
4.2 Учет эффекта краевой сваи 82
4.2 Повышение сопротивления по боковой поверхности буронабивных свай инъекцией твердеющего раствора 85
4.3 Выводы по главе 4 89
Заключение 91
Список использованных источников 96

Работа на отлично. Пояснительная записка.
На основании имеющихся проектов свайных фундаментов гидротехнический сооружений в данной научно исследовательской работе были исследованы свайные фундаменты оснований Керченского и моста Дефриз-Седанка.
1. Были рассмотрены естественные условия районов строительства исследуемых мостов. Изучены ледовые режимы, ветровое воздействие, навигационный период и температурные режимы.
2. Геологическое строение основания мостов, характеры грунтов, их мощности и характеристики.
3. Исследованы конструкции свайных оснований мостов и разобраны их различия.
Изучены различия и уникальность каждой из конструкций и сделаны выводы относительно изученного материала
Ледовые режимы в районах строительства различные: у Керченского моста лед более тонкий и скорость дрейфа у него меньше, но из-за ветрового режима создается большое количество торосов. У моста Дефриз-Седанка скорость движения льда выше, а именно 0,6 м/с и из-за более холодно климата толщина льда больше чем у ваше стоящего моста.
Проанализировав геологическое строение основания мостов можно заметить, что у Керченского моста нет несущего грунта, что существенно влияет на выбор конструкции свайного основания моста. Опоры моста Дефриз-Седанка опираются на скальное основание, что так же влияет на конструкцию опор.
В связи с различными ледовыми режимами, геологическим и строением и некоторыми другими факторами, конструкции мостов принципиально разные.
Из-за песчаного основания Керченского моста и сваи там висячие. Сопротивление этих свай работает в основном по боковой поверхности.
Мост Дефриз-Седанка имеет сваи стойки и поэтому сваи имеют расположены только вертикально.
Также у опор моста Дефриз-Седанка есть распорки между сваями для усиления конструкции от воздействия ледовых полей.
Для поиска улучшений этапов проектирования свайных фундаментов были рассмотрены нормативные документы из которых стало понятно, что закладывается слишком большой запас прочности в сооружение. А также рассмотреть нормативное сваепогрузочое оборудование.
Основными условиями для расчета можно выделить, то что:
-Расчет ведется по двум группам предельных состояний;
-Сваю можно рассматривать, как стержень жестко защемленный в грунте;
-Погрешность принимается только в сторону увеличения запаса надежности конструкции;
-Сооружение и основание должны рассматриваться совместно;
-При проектировании свайных фундаментов необходимо создание математических моделей, описывающие механическое поведение свайных фундаментов;
-Горизонтальную нагрузку на вертикальные сваи можно принимать, как равномерно распределенную
Исследованы способы назначения и возможности сваепогрузчного оборудования, такого как:
-Молот для забивки свай. Основными критериями для его выбора являются: энергия одного удара и коэффициент применимости молота.
-Вибропогружатель.Основными критериями для его выбора являются: вынуждающая сила вибропогружателя, центробежная сила, статический момент, частота и амплитуда.
Проанализировав методы расчета свайных фундаментов можно заметить, что все погрешности идут в запас прочности, в следствии чего конструкция будет дороже и необходимо искать методы наиболее рационального расчета конструкции для дальнейшего обеспечения необходимой прочности и оптимальной экономической составляющей
Изучение научной литературы, также является важной частью данной научно исследовательской работы. Были изучены работы таких авторов, как: Березанцева В.Г, Whitaker T,Девальтовскаго Е, Голубкова В.Н,Дорошкевича Н.М, В.А. Дмитриева,Козачок Л.Д, Фурмонавичус Л.А.,Григоряна А.А..
Большинство авторов описывают проблему повышения несущей способности и описание эффекта краевой сваи.
Описанные выше проблемы были проверены в созданных математических моделях реально существующих мостов и были подтверждены.
Модели созданы в программном комплексе plaxis 3d. Нагрузки на сооружения были рассчитаны и указаны в соответствующих таблицах.
Использованы модели грунтов соответствующие определенным слоям грунта и имеющие разное поведение при воздействие нагрузки на сооружение.
Результатами математической модели, стали объемные графики перемещения частиц грунта по вертикальной оси, а также графики зависимости перемещения грунта относительно глубины их залегания.
Выводы полученные на основании математических моделей совпадают с выводами вынесенными на рассмотрение выше указанными авторами.
В процессе изучения темы были выявлены и проверены на математических моделях позиции для которых нужно было предложить решения, а именно:
1)Особенности расчета свайного фундамента мостов;
2)Учет эффекта краевой сваи;
3)Повышение сопротивления по боковой поверхности.
Для решения первого пункта было предложено: на этапе проектирования совместно применять натурные испытания с созданием математических моделей, для получения более точных значений и в следствие проектирование более эффективной и экономичной конструкции.
При проектирование необходимо учитывать эффект краевой сваи. Что также влияет на будущую конструкцию свайного фундамента. От этого зависит армирование, сечение или длины свай в кусте.
Для повышения сопротивления по боковой поверхности было предложенно использовать технологии инъекции твердеющего раствора вдоль свая для повышения сцепления сваи и грунта, что в итоге приводит к увеличению несущей способности свайного фундамента и возможности изменения конструкции.
Общей целью работы являлось нахождение, анализ и формулирование предложение по проектированию и технологии строительства свайных фундаментов мостов в сложных геологических условиях.
Опираясь на научных труды различных авторов, нормативную базу Российской федерации и собственные математические модели я считаю, что целиданной научно исследовательской работы были достигнуты.

Список использованных источников
1. Бартоломей, А. А. Основы расчёта ленточных свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам / А. А. Бартоломей. — М.: Стройиздат, 1982. — 223 c.
2. Бартоломей, А. А Прогноз осадок свайных фундаментов/ А. А. Бартоломей, И.М.Омельчак, Б. С. Юшков. — М., Стройиздат, 1994. — 384 с
3. Березанцев, В. Г. Расчёт оснований сооружений : пособие для проектирования / В. Г. Березанцев. — Л.: Стройиздат, 1970. — 297 с.
4. Боков, И. А. О применимости функции влияния, полученной по результатам расчётоводиночной сваи для расчёта свайных групп / И. А. Боков, В. Г. Федоровский /Основания,фундаменты и механика грунтов. — 2018. — №6. — С. 2–7.
5. Болдырев, Г. Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. /Г. Г. Болдырев — Пенза: ПГУАС, 2008. — С. 218–224.
6. Болдырев, Г. Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями кГОСТ 12248-2010. 2-е изд., доп. и испр./ Г. Г. Болдырев. — М.: ООО «Прондо», 2014. —812 с.
7. Васенин, В. А. Численное моделирование испытаний буронабивных свай и баретты длястроительства высотного здания в Санкт-Петербурге / В. А. Васенин // Геотехника. — 2010.— №5. — С. 38–47.
8. Вознесенский, Е. А. Методические вопросы определения параметров моделей,учитывающих повышение жёсткости грунтов при малых деформациях / Е. А.
Вознесенский, М. С. Никитин, Е. А. Сенцова // Геотехника. — 2016. — №2. — С.4–16.
9. Голубков, В. Н. Вопросы исследования свайных фундаментов и проектирования по деформациям : автореф. … д-ра техн. наук : 05.23.02 / Голубков Виталий Николаевич— М., 1969. — 35 с.
10. Голубков, В. Н. Опыт проектирования свайных фундаментов по деформациям / В. Н.Голубков, В. Ф. Химич // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1961. — №3. — С. 2–7.
11. Готман, Н. З. Определение параметров свайного поля свайно-плитного фундамента / Н. З.Готман // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2003. — № 3. — С. 2–6.
12. Готман, А. Л. Сваи и свайные фундаменты. Избранные труды / А. Л. Готман. — Уфа:Уфимский гос. нефтяной технич. ун-т, Ин-т доп. проф. образования, 2015. — 384 с.
13. Готман, А. Л. Исследование работы комбинированных свайных фундаментов навертикальную нагрузку / А. Л. Готман, М. З. Каранаев // Основания, фундаменты имеханика грунтов. — 1991. — №6. — С. 15–18.
14. Григорян, А. А. Свайные фундаменты зданий и сооружений на просадочных грунтах / А. А.Григорян. — М.: Стройиздат, 1984. — 161 с.
15. Девальтовский, Е. . Исследование работы свайных фундаментов с учётом их
взаимодействия с межсвайным грунтом: дисс. … канд. техн. наук : 05.23.02 / Девальтовский Евгений дуардович. — Л., 1982. — 226 с
16. Дзагов, А. М. Разработка способа расчёта сопротивления оснований буронабивных свай сучётом процесса твердения бетона: автореф. дисс. ... канд. техн. наук:: 05.23.02 / ДзаговАлимМухтарович. — Л. , 1986. — 22 с.
17. Дмитриев, В. А. Результаты испытаний свай статической нагрузкой в натурных условиях. Основания, фундаменты и подземные сооружения / В. А. Дмитриев / Тр. первой научн.конф. молодых специалистов. — М.: НИИОСП, 1976. — С. 2–7.
18. Докторов, В. И. Работа боковой поверхности буронабивных свай / В. И Докторов. //Строительство и архитектура. Реферативный журнал. Сер. 3. — 1983. — Вып. 4. — С. 1–5.
19. Дорошкевич, Н. М. Исследование напряжений в грунте при свайных фундаментах :автореф. … канд. техн. наук : 05 – 23 – 02 / Дорошкевич Нина Михайловна. М., 1959. — 22с.
20. Зерцалов, М. Г. Особенности работы буронабивных свай в скальных грунтах среднейкрепости / М. Г. Зерцалов, Д. В. Устинов, М. В. Никишин // Вестник МГСУ. — 2010. —№4. — С. 75–84.
21.Знаменский, В. В. Работа свайных фундаментов в глинистых грунтах и расчёт их подеформациям оснований :автореф. … канд. техн. наук : 05.23.02. Основания и фундаменты/Знаменский Владимир Валерианович. — М., 1971. — 14 с.
22.Знаменский, В. В. Инженерный метод расчёта горизонтально нагруженных групп свай / В.В. Знаменский. — М.: АСВ, 2000. — 128 с.
23.Ибрагимов, М.Н. Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов / М. Н. Ибрагимов,В. В. Семкин. – М.: АСВ, 2012 г. — 256 с.
24. Козачок, Л. Д. Исследования распределения вертикальных напряжений в основании кустоввисячих свай с низким ростверком : автореферат дисс канд. техн. наук : 05.23.02 Основания и фундаменты / Козачок Леонид Дмитриевич — Л., 1971. — 23 с.
25. Лапшин, Ф. К. Расчет свай по предельным состояниям / Ф. К. Лапшин. — Саратов, Изд.Саратовского ун-та, 1979. — 151 с.
26. Луга, А. А. О несущей способности кустов вертикальных висячих свай на вертикальнуюнагрузку / А. А. Луга // Докл. АН наук СССР. — Т. ХСV. — №3. — С. 463–464.
26. Мангушев, Р. А. Современные свайные технологии :учебн. пособ. / Р. А. Мангушев, А. В.Ершов, А. И. Осокин. — М.: АСВ; СПб.: СПб.гос. арх.-стр. ун-т, 2007. — 159 с.
27. Мангушев, Р. А. К методике инженерного расчета свайно-плитного фундамента/ Р. А.Мангушев, Л. Н. Кондратьева / InternationalJournalforComputationalCivilandStructuralEngineering (Международный журнал по расчету гражданских и промышленныхконструкций). — Volume 12. — Issue 1. — 2016. — С. 110-116.
28. Петрухин, В. П. Обзор методов преднапряжения и цементации основания пяты сваи ианализ возможности их применения / В. П. Петрухин, О. А. Шулятьев, И. А. Боков / Сб.научн. тр. НИИОСП им. Н. М. Герсеванова. — 2011. — №100. — С. 278–279.
29. Разводовский. Д. Е. Взаимодействие свай и грунта в составе большеразмерных кустов и свайных полей : автореферат дисс. … канд. техн. наук : 05 – 23 – 02 / Разводовский Дмитрий Евгеньевич. — М., 1999. 24 с.
30. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения: под ред.Ильичёва В. А., Мангушева Р. А. — М.: АСВ, 2016. — 1040 с.
31. CП 45.13330.2017 «СНиП 3.02.01-87 Земляные сооружения, основания и фундаменты».
32. СП 22.13330.2016 «СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений».
33. СП 24.13330.2016 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты».
34.СП 103.13330.2012 «СНиП 2.06.14-85 Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод»
35. СП 361.1325800.2017 Здания и сооружения. Защитные мероприятия в зоне влияния строительства подземных объектов.
36. СП 267.1325800.2016 Здания и комплексы высотные. Правила проектирования.
37. СП 412.1325800.2018. Конструкции фундаментов высотных зданий и сооружений. Правила производства работ.
38. СТО 36554501-007-2006 Проектирование и устройство вертикального или наклонного геотехнического барьера методом компенсационного нагнетания. М.: ФГУП «НИЦ «Строительство», 2006. - 21 с
39. Тер-Мартиросян, А. З. Осадка и несущая способность длинной сваи / А. З. Тер-Мартиросян,З. Г. Тер-Мартиросян, ЧиньТуан Вьет, И. Н. Лузин // Вестн. МГСУ. — 2015. — № 5. — С.52–61.
40. Фурмонавичус, Л. А. экспериментальное исследование работы свай в кусте, заглубленномвморенные грунты / Л. А. Фурмонавичус / Инженерная геология, механика грунтов,основания и фундаменты. Геотехника. Тезисы III межреспубл. конф. по инж. геологии, механике грунтов и фундаментостроению. — Рига: РИИ, 1975. — С.59–72.
41. Шулятьев, О. А. Датчики для измерения порового давления грунта / О. А. Шулятьев, В. Н.Бражник / Фундаментостроение в условиях слабых и мерзлых грунтов: Межвуз. тематич. сб. тр. — Л.: ЛИСИ, 1981. — С.59–72.
42. Шулятьев, О. А. Искусственное изменение напряженно-деформированного состояниягрунта для решения геотехнических задач / О. А. Шулятьев / Тр. НИИОСПим. Н. М. Герсеванова, 2001. — С. 149–161.
43. Шулятьев О.А. Натурные измерения распределения нагрузок между сваями в фундаменте/О.А. Шулятьев А.И. Харичкин // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2009. —№ 6. — С. 17-22.
44. Mandolini, A. PileFoundations: ExperimentalInvestigations, AnalysisandDesign / A.Mandolini, G. Russo, C. Viggiani / Proc. of the 16th Int. Conf. on Soil Mechanics andGeotechnical Engineering. — Osaka :Millpress, 2005. — P. 177–213.
45. Hanna, T. H. Model Studies of Foundations Groups in Sands / T. H. Hanna // Geotechnique.London, England. — Vol. 13. — 1963. — P. 334–351.
46. Mangushev, R. A. Evaluation and analysis of bearing capacity of bored piles and deep-laid pile barrette for high-rise building on loose ground based on calculations and field tests/ R. A.Mangushev, N. S. Nikitina/ International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. Vol. 14.Issue 2, 2018, — P. 109-116.
47. Stocker, M. F. The Influence of Post Grouting on the Load Bearing Capacity of Bored Piles / M.F. Stocker / Proc. 8th European Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering. -Helsinki. 1983. — P. 347–349.
48. Viggani, C. Pile and Pile Foundation / C. Viggani, A. Mandolini, G. Russo / Spon Press, London,- 2011. —278 p.
49 Whitaker, T. Experiments with Model Piles in Groups / T. Whitaker // Geotechnique, London, England. — Vol. 7. — 1957. — P. 147–167.
50 Whitaker, T. Some Experiments on Model Piled Foundations. Pile foundations / T. Whitaker /Proc. of Symp. held by the International Association for Bridge and Structural Engineering. —Stockholm. — 1960. — P. 124–139.