Исследование сопротивления вертикальным нагрузкам бипирамидальных свай

Раздел 1. Аналитический обзор состояния вопроса

1.1. Применение коротких свай в промышленном и гражданском строительстве

В настоящее время в промышленном и гражданском строительстве находят применение свайные фундаменты из свай призматической, пирамидальной формы, а также сваи с забивными оголовками в верхней части.
Исследования с помощью различных методик, совместной работы свай призматической и цилиндрической формы с основаниями, позволили выявить характерные особенности их взаимодействия с основанием.
Наиболее важными факторами, которые оказывают существенное влияние на общее сопротивление по боковой поверхности свай вертикальным нагрузкам является снижение сопротивления по боковой поверхности сваи вследствие образования зазора между верхней частью сваи и грунтом и особенностей взаимодействия остри я сваи с уплотненным грунтом. И хотя приведенные выше исследования имели конечный целью разработку расчетноймодели сваи с учет ом основных факторов, влияющих на несущую способность свай, их результаты могут быть поло жены в основу для совершенствования конструкции висячие сваи. Наиболее целесообразным направлением при этом будет иметь выбор такой формы сваи, которая способствовала бы устранению факторов, снижающих несущую способность сваи.
Как показывает дальнейший анализ, в настоящее время, фундаментами, которые в той или иной мере отвечаютприведенным выше условиям являются:
— пирамидальные сваи, при погружении которых не возникает зазор вдоль боковых граней;
— сваи с забивными оголовками, которые также позволяют устранить возможность появления зазора вдоль боковой поверхности сваи и увеличить сопротивление сваи по боковой поверхности за счет взаимодействия оголовка сваи.
Исследования явлений, возникающих в грунте при забивке и осадке под нагрузкой коротких свай призматической и пирамидальной формы, позволили изучить факторы, которые отрицательно влияют на показатель совместной работы сваи и основания.
Эти факторы в основном имеют место в верхней части сваи и указывают на то, что в этой области возможности сопротивления грунта используются не полностью из-за конструктивных особенностей и состояния грунта.
Вышеуказанные недостатки можно попытаться устранить использовав такую конструкцию сваи, в которой грунт вверх ней части в достаточной степени уплотнялся и участвовал в работе призагружении. В связи с этим, представляет интерес опыт применения и исследования работы свай с забивными уширениями в виде опорного кольца, шайбы, плиты, насадки, а также сваи с уширениями по стволу и вблизи остри я.
Гнатенко-ГонтаС. П. [1] отмечает, что применение забив ной сваи с уши рением позволяет производить уплотнение того или иного слоя грунта и может быть эффективно использован о для устранения про садочных свойств отдельных слоев грунта. При этом установлено, что в грунтах естественной влажности несущая способность сваи с утолщением в1,8 — 2,2 раза больше чем у призматических. При замачивании основания осадки свай с местным уши рением меньше чем призматических свай без утолщения.
Весьма полезным при строительстве опор моста оказалось применение утолщения по стволу призматической сваи(Коломийцев В. В.) с целью увеличения несущей способности за счет передачи нагрузки на более плотную прослойку грунта. Устройство уширения позволило увеличить несущую способность сваи на 30%. Автор отмечает, что для улучшения работы свай на горизонтальную нагрузку ниже уширения сваи предусмотрен а рабочая часть сваи длиной 1,5 м.
Луга А. А. [2] отмечает, что в слабых илисто-глинистых грунтах, при большой толще этого слоя рационально применение свай с уширенной пятой с целью сокращения затрат времени на погружение, по сравнению с обычными длинными сваями и экономии материалов.
Исследования несущей способности сваи с забив ной пятой, в значительном объеме, выполнены Колоколовым Н. М., Луга А. А., Плато новым Н. М., Рыбчинским В. П. [3]. Несущая способность свай, которые имели различную конструкцию уширения, вблизи остри я, определялась в полевых условиях на основании 22 испытаний статической нагрузкой.
По результату опытов установлено, что сваи с уширенной пятой, при глубине погружения 7,5 м. и 9,2 м. обладают несущей способностью в 1,5 — 2.5 раза большей чем сваи без уширения. Наибольшее сопротивление вертикальной нагрузке (Р = 230 т) оказала железобетонная свая-оболочка диаметром 60 см. и диаметром забив ной пяты 120 см., при опираниипяты на супесь полутвердой консистенции. В данном случае форма нижней части сваи, при значительных размерах поперечного сечения пяты позволила осуществить погружение сваи до глубины 9,2 м., что в известной степени связан о с рациональным сочетанием размеров пяты конической формы и цилиндрического элемента с остри ем, которой находится ниже пяты сваи. Кроме того, это способствовало повышению несущей способности сваи.
Вместе с тем, при разработкеуширений по стволу сваи и вблизи остри я, вопрос выбора оптимальных соотношений размеров сваи и уширения, с точки зрения погружения сваи и ее работы под нагрузкой остается мало изученным.
Опыт применения призматических свай с забивными уширениями в верхней части ствола сваи (Плато нов Ю. Н. [4]) показывает, что данная конструкция фундаментов дает наиболее экономичные решения при залегании однородных и прослойки плотных грунтов с дневной поверхности.
Наибольшее распространение получили сваи с забивными оголовками в жилищном строительстве при возведении пяти и девяти этажных домов [5], [6]. Плато нов Ю. Н. [7] по результатам многочисленных полевых опытов, установил, что несущая способность свай с забивнымиоголовками в 2 — 3 раза больше чем несущая способность обычной призматической сваи равной длины. При этом, сваи с забивными оголовками менее материалоемки по сравнению с призматическими сваями, по расходу арматуры в 2 раза, по расходубетона в 2 -3 раза. Сравнительные испытания призматической сваи и сваи с забивным оголовком в лессовидных грунтах I типа позволили установить, что несущая способность сваи с уши рением в верхней части увеличивается в 3,0 — 3,5 раза [6].
Свая с шайбой может применяться при строительстве подвесных дорог, путепроводов, опор линий электропередач или контактных сетей электрифицированных дорог и в качестве анкерного крепления береговых опор мостов. При работе свай с шайбой на горизонтальную нагрузку используется отпор уплотненного грунта и сопротивление сваи при этом в четыре раза больше, чем несущая способность обычной сваи (Грутман М. С. [8]).
Значительное повышение сопротивления свай с забивными оголовками объясняется тем, что при погружениизабивного оголовка устраняется зазор, образовавшийся при забивке призматической сваи, грунт в верхней части дополнительно уплотняется, повышаются его прочностные характеристики. При загружении сваи с забивным оголовком изменяются условия распределения внешней нагрузки по сравнению с призматическими и пирамидальными сваями.
Исследования несущей способности сваи с забивными оголовками позволили выявить характер распределения усилий между конструктивными элементами при совместном испытании, а также каждого отдельного элемента в тех же грунтовых условиях.
По опытным данным Тарасов а М. В. идр. [6], Грутмана М. С. и др. [9] несущая способность забивного уширения составляет 70 — 65% от общего сопротивления комплексной конструкции «свая+ оголовок».
Нагрузка, которую воспринимает призматическая свая при совместном испытании сваи и оголовка на 10 — 15%больше, чем несущая способность отдельно испытанной сваи. Раздельное снятие нагрузок при совместном испытании сваи и оголовка, показывает, что увеличение несущей способности комплексной конструкции происходит не только за счет увеличения опорной площадки оголовка и повышения прочностных характеристик грунта. Грутман М. С. [8] полагает, что передача части нагрузки на грунт посредством шайбы способствует повышению несущей способности самой сваи.
Березанцев В. Г. отмечает, чтовследствии увеличения напряжений в грунте под подошвой оголовка наблюдается повышение сил трения между сваей и грунтом.
Испытания статической нагрузкой оголовка, размещенного в выкопанном котловане и погруженного на заданную отметку [9] показали, что несущая способность оголовка повышается за счет уплотнения грунта. Грутман М. С., Циприанович И. В., Шнигель И. Д. [8] отмечают, что работа сваи с забивным уши рением в верхней части качественно отличается от работы свай с низким ростверком, который не может воспринять существенной доли нагрузки, действующей на фундамент так как разница в деформативности грунта вокруг ростверка и вокруг оголовка сваи весьма существенна.
Подсчеты давлений, возникающих на уровне подошвы оголовка по результатам испытания с раздельным снятием нагрузки со свай и оголовка показывают, что они составляют 1000 — 1200 к Па, в то время как расчетные нагрузки для ленточных фундаментов в этих грунтах составляют 150- 200 к Па.
В связи с тем, что сваи сзабивными уширениями в верхней части являются новой и более сложной конструкцией, по сравнению с призматическими и пирамидальными сваями, технология их устройства окончательно не отработан а и требует дальнейших разработок.
Плато новым Ю. Н., Малышевым В. П., Крытовым Е. К. [5] на основании трех летнего наблюдения за осадками зданий, построенных на фундаментах из свай с забивными оголовками, установлено, что осадки носят затухающий характер и сделан вывод, о том, что разуплотнениегрунта под оголовком со временем не происходит. Вместе с тем область применения свай с забивными уширениями в настоящее время сравнительно небольшая. Установлено, что усиление призматической сваи забивным оголовком, в случае если ее сопротивление меньше расчетного, практически оправдан о во всех случаях, так как этот способ экономичнее по сравнению с другими вариантами усиления. При залегании близко от поверхности плотных грунтов рекомендуется использовать фундаменты из свай с забивными оголовками. Для долее массового применения и расширения области необходимы дальнейшие исследования по выбору рациональной конструкции в зависимости от ее формы для конкретных грунтовых условий. Недостаточно полно к настоящему времени исследован вопрос о затратах энергии на погружение и пути их сокращения.
Моргун А. И. [10 — 15] на основании обобщения опыта применения свай с забивными уширениями в верхней части сваи (с еще оголовка, шайбы, плиты, насадки) и своих комплексных полевых исследований совместной работы коротких свай, предложил новую форму сваи, которая состоит из двух пирамидальных элементов. При их соединении образуется пирамидальная свая суши рением в верхней части, поэтому свая получила название бипирамидальная. Бипирамидальные сваи могут изготавливаться в заводских условиях и затем погружаться как и забивные сваи традиционной формы существующими свайными агрегатами. Однако при такой технологии изготовления свай возрастают затраты на оснастку, в которой изготавливаются сваи. Поэтому предложен второй способ применениябипирамидальных свай. На заводе изготавливается металлический штамп с размерами и формой равными применяемых бипирамидальных свай. Штамп навешивается на экскаватор, трактор, которые имеют соответствующие стойку и направляющие. Изготовление фундаментов из бипирамидальных свай в этом случае осуществляется путемвыштамповывания ложа, которое потом заполняется бетонной смесью.
При этом существенно уменьшаются затраты труда на изготовление бипирамидальной сваи, а кроме того, по сравнению, с первым вариантом, сокращается расход арматуры. Так как в случае забив ной сваи необходимо обеспечить ее целостность при транспортировании и забивке.
Как показывают экспериментальные исследования, сопротивления бипирамидальных свай имеет величину равную сопротивлению пирамидальных свай тех же размеров (длина, размер поперечного сечения в голове и нижнего конца) и при одинаковых осадках. Однако удельное сопротивление бипирамидальных свай по сравнению с пирамидальными сваями в 2,0… 2,5 раза выше. То есть, расход бетон а и стали также сокращается в таких же пределах.
Однако методы расчетабипирамидальных свай до настоящего времени разработаны без использования современных численных методов, что не способствует их внедрению в практику строительства.

1.2. Методы рас чета сопротивления коротких забивных свай

Для разработки надежного и эффективного проектного решения свайных фундаментов необходимо знать нагрузку, которую можно передать на сваю.
На первоначальном этапе применения свайных фундаментов, когда объем их применения был сравнительно небольшой определялась несущая способность свай и в отдельных случаях свайных фундаментов путем испытаний статической нагрузкой.
В дальнейшем были проведеныисследования А. А. Луга [2], В. Н. Голубков [16], [17], посвященные определению несущей способности большого числа свай и свайных фундаментов с целью обобщения статических испытаний в различных грунтовых условиях. Эти исследования были направленными на определение несущей способности грунта по боковой поверхности сваи и под остри ем. В результате были составлены таблицы соответствующих расчетныхсопротивлений грунта, которые вошли в СНиП [18].
С развитием техники тензометрических измерений появилось значительное число работ, в которыхописаны результаты исследований распределения сил трения по боковой поверхности и доля нагрузки приходящаяся на острие. (Абраменко П. Г. [19], Бартоломей А. А.[20], Бахолдин Б. В. и Игонькин Н. Т. [21], Колесник Г. С., Шахирев В. Б., МоргунА. И. [22], Таланов Г. П., Лычев П. П. [23], Mohan D., Jain G., and Kumar V. [24], Seed H.B. and Reese L.C. [25]).
Эти исследования были направленына уточнение характера распределения сил трения по боковой поверхности так как в СНиП [18] эпюра этих сил в однородных грунтовых условиях принята треугольной с основанием на уровне остри я, а также изучению закономерности распределения усилий между боковой поверхностью иострием в процессе роста нагрузки на сваю. Эти исследования поло жены в основу разработки теоретических методов рас чета свай, которые учитывают выявления особенностей работы свай с основанием.
В настоящее время при рас чете забивныхсвай используется методика, изложенная в СНиПе [43], методика, разработанная в Одесском инженерно-строительном институте и изложенная во Временных указаниях по проектированию и устройству фундаментов из пирамидальных свай [25], а также методы рас чета с использованием численных методов [26].

1.2.1. Определение сопротивления пирамидальных свай по методу ОИСИ
Расчет пирамидальных свай помет оду ОИСИ [26] выполняется с учет ом следующих основных требований:
а) средний удельный вес сухого грунта (gd, ср) уплотненного при забивке пирамидальной сваи, в пределах зоны приложения должен иметь значения 16,0 — 17,5 кн/м3;
б) величина нормативной осадки пирамидальной сваи принимается в рас чете равной предельно допустимой осадке Sн = 8 см, согласно СНиП [ ], для крупнопанельных и крупноблочных бес каркасных зданий;
в) объем зоны деформаций не должен превышать объема зоны уплотнения (рис. 1.1 ).
? Рв

1

2

Рис. 1.1 Схема совместной работы пирамидальной сваи и грунта основания
1 — зона уплотнения основания;
2 — зона деформаций основания.

Сопротивление пирамидальной сваи определяется по формуле:
?
где Егр. ср — значение среднего модуля объем ной деформации уплотненногогрунта в пределах объема зоны деформаций, которые определяются по графику Егр. ср= f(gd), (см. [26]);
Vsc — объемная осадка сваи, которая определяется по формуле:
?
Su — предельно-допустимая осадка Su = 8 см;
Vc — объем погруженной части сваи;
l — длина погруженной части сваи;
b — коэффициент, принимаемый равным b = 0,5;
Vac — объем зоны деформаций пирамидальной сваи, определяемый по графику Vac = f(Vsc) [26];
Fэ — эффективная площадь поперечного сечения сваи, обуславливающая ее объемную осадку, Fэ = Vc/l.

1.2.2. Определение сопротивления пирамидальных свай по СНиП
Несущую способность Fd, пирамидальной сваи с наклоном боковых граней ip > 0,25 допускается определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунта основания на боковой поверхности сваи и под ее нижним концом по формуле[18, 27]:
?
где Ai — площадь боковой поверхности сваи в пределах i-го слоя грунта, м2;
a — угол наклона граней пирамидальной сваи, град.;
jli, cli — расчетные значения угла внутреннего трения, град., и сечения, к Па;
d -размер стороны нижнего конца сваи, м;
n1, n2 — коэффициенты, значения которых определяются по таблице СНиПа [ 18 ]приложения 2.
Сопротивление грунта под остриемсваи P’i и по ее боковой поверхности Рi определяется по формуле:
?
где Ei — модуль деформации i-го слоя грунта, определяемый по результатампрессиометрических испытаний, к Па;
Vi — коэффициент Пуассон а i-го слоя грунта, принимаемый в соответствии с требованиями главы СНиПа «Основания зданий и сооружений»[ 43 ];
x — коэффициент, значения которого определяются по таблице СНиПа [18].
Природное боковое давление грунтаРoi (к Па) определяют по формуле:
?
где gi — удельный вес грунта i-го слоякН/м3;
hi — средняя глубина расположения i-го слоя грунта, м.
Начальное давление грунта:
Ppi = Poi(1 + sinji) + cicosji.
При отсутствиипрессиометрических испытаний грунта несущая способность пирамидальной сваи определяется по формуле:
Fd = gc[RA + Shi(uifi+ u0ipEiKixr)],
где gc — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый gc = 1;
R -расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, к Па, принимаемое пота блице №1 [18];
A -площадь сечения конца сваи;
hi — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;
fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, к Па, принимаемое по таблице 2 [18];
ui — сума размеров сторон i-го сечения сваи, м;
u0i — сумма размеров сторон i-го поперечного сечения сваи, которое имеет наклон к оси сваи;
ip — наклон боковых граней сваи в долях единицы;
i ? 0,025
Ei — модуль деформации i-го слоя грунта, окружающего боковую поверхность сваи, определяемый по результатам компресс ионных испытаний, к Па;
Ki — коэффициент, зависящий от вида грунта и принимаемый по таблице 4 СНиПа[18];
xr -реологический коэффициент, принимаемый xr = 0,8.
При рас чете пирамидальных свай поСНиП, надо определить по таблице R = f(H,JL) и fi = f(H,JL).
Кроме того, коэффициенты Ki, в зависимости от вида грунта принимаются:
Ki = 0,5 (пески и супеси); Ki = 0,6 — (суглинки);
Ki = 0,7 (глины с JL = 0,18); Ki = 0,8 (глины с JL = 0,25).
Для песков Ki принимается в зависимости от крупности. При рас чете несущей способности свай по СНиП надо определить R и fi, которые зависят от физических показателей JL и крупности песка, но не зависят от механических показателей E,V.

1.3. Применение численных методов для рас чета свай и свайных фундаментов

Теоретические методы для прогноза поведения прогноза поведения свай и свайных фундаментов развивались на основе использования решений Мела на для плоской задачи и решения Мин длина в случае пространственной задачи. Этот подход использовали в своих исследованияхАбраменко П. Г. [19], Барвашов В. А. [9], Бартоломей А. А.[10,11], Бенерджи П. иБатерфилд Р. [26] и другие.
Бартоломей А. А. [11] на основании многочисленных экспериментальных исследований предложил методику рас чета осадки ленточных свайных фундаментов. Для решения задачи использован а формула Горбунов а-Посадовадля вертикальной составляющей перемещения в случае плоской задачи призагружении основания вертикальными силами Р, приложенными на глубине Z. Формула была получен а на основании фундаментального решения Е. Мела на для плоской задачи.
При решении задачи приняты следующие допущения:
1) грунт — линейно-деформируемая среда;
2) сваи и грунт в межсвайномпространстве рассматриваются как единый массив;
3) нагрузка от сваи на грунт передается через боковую поверхность сваи и массивы грунта и в плоскости нижних концов свай;
4) граница активной зоны находится на глубине, где напряжения от внешней нагрузки не вызывают остаточных деформаций грунта.
Условно принято, что граница определяется структурной прочностью грунта. Следует отметить, что закономерности передачи нагрузки сваями на основание через боковую поверхность и в плоскости остри я сваи описываются некоторыми функциями, т. е. задача решенане в замкнутом виде.
Проблема прогноза поведения свайного фундамента при загружении вертикальной нагрузкой является сложной, т. к. включает учет изменения свойства основания при погружении сваи, особенностинапряженного состояния окружающего грунта, распределение усилий в каждой свае по боковой поверхности и под остри ем, распределение усилий между сваями фундамента в зависимости от уровня загружения фундамента. Решить проблемурасчета свайных фундаментов с учет ом новых экспериментальных данных возможно, если использовать хорошо развитые численные методы, реализовав их на ЭВМ.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили такие численные методы: метод конечных разностей(МКР), метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ), а также различные их модификации, включая комбинированные, то соединяющие в различном объеме выше перечисленные пути решения одной задачи, но для различных областей исследуемой среды.
Наиболее широко используемые в настоящее время численные методы рассматривают дифференциальные уравнения непосредственно в той форме, в которой они были выведены при помощи одного из двух подходов:
— при помощи аппроксимации дифференциальных операторов в уравнениях более простыми алгебраическими соотношениями (конечно-разностными соотношениями), действующих в узлах рассматриваемой области. Этот подход получил название метода конечных разностей;
— при помощи представления самой области элементами среды, которые имеют конечные размеры и в совокупности аппроксимируют реальную среду. Этот подход получил название метода конечных элементов.
Метод конечных разностей получил широкое распространение благодаря тому, что его, в принципе, можно приложить к любой системе дифференциальных уравнений, но учет граничных условий задачи очень часто является громоздкой и трудно программируемой задачей. Точность численного решения зависит от количества узлов, которые образуют сеточную область. Поэтому приходится иметь дело с системами алгебраических уравнений довольно высокого порядка.
При использовании метода конечных элементов тело разбивается на элементы конечных размеров; чем больше элементы, тем меньше число уравнений. Реакция каждого элемента на внешние и внутренние воздействия приближен но отражает реакции малой области тела, которую элемент представляет. Условие непрерывности между элементами налагается обычно в узлах, а не на всем протяжении границ раздела.
Метод конечных элементов получил широкое распространение в решении очень широкого круга задач науки и техники благодаря его эффективности и возможности сравнительно просто учесть реальные граничные условия. Слабой стороной метода конечных элементов является то, что он представляет схему дискретизации всего тела, а это в едет к большому количеству конечных элементов, особенно в трех мерных задачах с удаленными границами.
Сущность метода граничных элементов в преобразовании дифференциальных уравнений в эквивалентную систему интегральных уравнений. Такая операция дает возможность получить систему уравнений, включающую значения переменных, относящихся к границе области. Это приводит к тому, что впоследствии выполняемая дискретизация относится к поверхности, ограничивающей исследуемую область. При использовании МГЭ в любой однородной области требуется дискретизировать только поверхность, а не всю область, и область становится одним большим сложным «элементом» в смысле метода конечных элементов.
Метод граничных элементов нашелприменение в задачах связанных с теорией потенциала, теорией упругости, пластичности, вязко пластичности, вопросах теории теплопроводности, а также врасчетах изгибов тонких упругих пластин, колебаний деформируемых тел, распространения волн в средах, динамики жидкости.
Метод граничных элементов также может быть использован в сочетании с другими численными методами, такими как методы конечных элементов или конечных разностей, т. е. в смешанных формулировках. Соответствующие комбинированные решения почти неограниченно расширяют область применения методов, потому, что метод граничных элементов обладает четко выраженными преимуществами для областей больших размеров, в то время как методы конечных элементов являются удобным средством включения в такие системы объектов быстрого изменения свойств.
Из выполненных различными авторами исследований [7, 12] следует, что время, которое затрачивается ЭВМ для решениятрехмерных задач МГЭ и МКЭ при одинаковой точности обычно в четыре — десять раз меньше при использовании МГЭ. Эта разница может быть гораздо ощутимее для классов задач, при решении которых использование МГЭ особенно целесообразно:
1. Системы, границы которых частично находятся в бесконечности. Поскольку процедуре решения задачи МГЭавтоматически удовлетворяет граничным условиям на бесконечности, отсутствует потребность в дискретизации этих границ. В то время как в методе граничных элементов границы в бесконечности должны быть аппроксимированы значительным количеством удаленных элементов.
2. Системы, содержащиеполубесконечные области с не нагруженными участками свободной границы. В этом случае, нет нужды дискретизировать не нагруженные области, которые как правило, составляют большую часть свободной поверхности, если использовать подходящее фундаментальное решение, например решение Буссинеска или Мин длина.
Метод конечных разностей в области оснований и фундаментов наш ел применение в расчетах конструкций на упругом основании.
В работе Клепикова С. Н. [40]освещено широкое применение МКР к большому классу задач по рас чету конструкций на упругом основании, включая определение коэффициента на упругом основании и свайных оснований, расчет балок на изгиб и кручение, расчет пере крестных балок, рам, балок-стенок и плит, опирающихся на упругое основание произвольнойжесткости.
Опубликован о сравнительно небольшое число работ, в которых используется МКР для рас чета свай и свайных фундаментов. Можно отметить работу Федоровского В. Г. [28] в которой рассмотреназадача рас чета сваи на действие продольной и поперечной нагрузки и выполненырасчеты с использованием метода Тейлора и метода конечных разностей (МКР).
Автор отмечает, что выбор методарасчета определяется не только его прогнозируемой точностью, но ибыстродействием, простотой, необходимым объем ом памяти в ЭВМ. В связи с этим в большинстве случаев можно рекомендовать МКР в задачах, где число расчетов велико, например при расчетах свайных кустов.
В настоящее время представляется маловероятным расширение области применения МКР в расчетах свай и свайных фундаментов в связи с тем, что разработаны и другие численные методы, например метод конечных элементов и метод граничных элементов, которые дают возможность более полно отразить реальные условия совместной работы свай и их оснований.
Более широкое применение врасчетах и проектировании свайных фундаментов получил МКЭ. Приложению МКЭ в анализе свай и свайных фундаментов посвящены исследования Бойко И. П. [29], Оттавиани М. [30], Петрашевича Г. [31] и др.
Применение метода конечных элементов в области проектирования свайных фундаментов позволило выявить важные особенности их взаимодействия с грунтами основания с учет ом многих факторов, определяющих совместную работу.
Однако, необходимость дискретизации пространства занимаемого сваями и окружающим грунтом приводит к образованию значительного числа конечных элементов и как следствие большой системы линейных алгебраических уравнений. В связи с этим значительно возрастают затраты машинного времени, которое имеют высокую стоимость.
Так, по данным исследованийОттавиани М. [30] на расчет одиночной сваи было затрачен о менее одной минуты машинного времени, а куста из 2?2 свай — требовалось около 200 минут, а куста из 3?3 свай -250 минут машинного времени.
Кроме того, в связи с особенностями дискретизации исследуемой трех мерной области при использованииМКЭ (большое число узлов, элементов, значительный объем данных о начальном и краевых условиях задачи) требуются увеличенные затраты времени на подготовку ив вод исходных данных в ЭВМ.
В настоящее время для анализа свайных фундаментов более конкурентоспособным является МГЭ. Так при его реализации в линейной постановке задачи требуется дискретизация только границы исследуемой области, то есть боковой поверхности сваи и плоскости подошвы ее нижнего конца.
В работах Р. Батерфилда и П. К. Бенарджи [26] рассмотрен о поведение абсолютно-жестких и сжимаемых свай погруженных в однородное линейно деформируемое полупространство. Анализ поведения выполнен с использованием МГЭ. В качестве фундаментального решенияиспользовано решение Мин длина о сосредоточенной силе приложенной внутри упругого полупространства.
Результаты исследованийпредставлены в виде графиков, которые показывают влияние относительногозаглубления сваи, отношения модуля упругости сваи к модулю сдвига грунта, влияние уширения нижнего конца сваи на перемещение одиночных свай при действии вертикальной нагрузки. Кроме того, исследовалось влияние относительно заглублениясвай, расстояния между сваями и отношения модуля упругости сваи к модулю сдвига грунта полу пространств на несущую способность кустов свай типичной конфигурации(2?2, 3?3 и 5 свай). Сравнение результатов своих теоретических исследований и экспериментальных исследований в полевых условиях других авторов позволило сделать вывод о том, что данные об осадке одиночной сваи можно экстраполировать на поведение группы (куста) свай.
В работе Швеца А. В. и др. [32]представлен метод определения вязко упругого напряженно-деформированного состояния (НДС) в активной зоне биконической сваи. Рассмотрен а осесимметричная задача линейной теории вязко упругости, которая решалась методом интегральных преобразований. Отмечается, что решение упругой задачи может быть реализованокак в аналитическом виде, так и численно. В данной работе упругое решениепостроено методом конечных элементов. Проведены расчеты НДС в активной зонебиконической сваи. Однако, результаты расчетов и их анализ в работе не приведены.
Таким образом, анализ показывает, что численные методы, особенно МКЭ и МГЭ находят применение в исследованиях сложных явлений совместной работы свай и свайных фундаментов.
В связи с возможностью и необходимостью применения ЭВМ в расчетах оснований и фундаментов, актуальным вопросом является разработка методик использования МГЭ, который имеет значительные преимущества по сравнению с другими численными методами, особенно для областей с бесконечными границами. Учитывая, что МГЭ еще не использовался в расчетахленточных свайных фундаментов, его применение здесь будет способствовать более полному исследованию важной в практичном отношении проблемы.
На основании анализа состояния вопроса применения коротких свай в промышленном и гражданском строительственамечены такие задачи:
1. Разработка методики расчетабипирамидальных свай по деформациям основания с применением метода граничных элементов.
2. Анализ результатов экспериментальных данных сопротивлений бипирамидальных свай вертикальным нагрузкам.
3. Выполнение расчетов сопротивления бипирамидальных свай на ЭВМ с использованием метода граничных элементов.
4. Сравнение теоретических и экспериментальных данных сопротивления бипирамидальных свай.

Список использованной литературы

1. Гнатенко-Гон та С. П. Одна из оптимальных форм забивных свай в грунтах I-го типа попросадочности. Труды межвузовской конференции по строительству на лессовыхгрунтах (тезисы докладов), Изд-во МГУ, 1973.
2. Луга А. А. О повышении эффективности и экономичности свайных фундаментов, Транспортное строительство,1978, № 8, с. 12-14.
3. Колоколов Н. М., Луга А. А., Глотов Н. Н, Рыбчинский В. П. Забивные сваи с уширенной пятой. Транспортное строительство, 1969, № 2.
4. Плато нов Ю. Н. Несущая способность свай, усиленных забивными оголовками. В сб.: Несущая способность свай в слабых грунтах. Часть 2. ЛДНТП, Л., 1966, с.
5. Плато нов Ю. Н. Расчет свай сзабивными оголовками. XХII научно-исследовательская конференция, по священная 100-летию со дня рождения В. И. Ленина, ЛИИЖТ, 1969, с.
6. Тарасов М. В. и др. Эффективность применения свай, усиленных железобетонными оголовками, впросадочных грунтах г. Новосибирск а. Сборник докладов и сообщений по свайным фундаментам, М.: Стройиздат, 1968.
7. Луга А. А., Рыбчинский В. П. К вопросу применения забивных свай с улучшенными пятами в условиях слабых грунтов Западно-Сибирской низменности. В сб.: Труды совещания-семинара по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях Тюмени, Тюмень, 1968, с. 24-25.
8. Грутман М. С., Циприанович И. В, Шпигель И. Д. Фундамент «свая с шайбой». Материалы к XXIXнаучно-технической конференции, секция оснований и фундаментов. — К., 1968.
9. Грутман М. С. Свайные — К.: Будів ельник, 1969.
10. Моргун А. И. Экспериментальные исследования работы бипирамидальных свай на вертикальную нагрузку. В сб. научных трудов Института строительства и архитектуры Госстроя БССР»Свайные фундаменты», Минск, 1975, с.
11. Моргун А. И. Полевые исследования деформаций основания бипирамидальных свай. Научные труды Института строительства и архитектуры Госстроя БССР, в сб. «Свайные фундаменты», Минск, 1975, с.
12. Моргун А. И. О геометрических параметрах висячих свай, определяющих формирование зоны уплотнения. Труды института строительства Госстроя БССР. В сб. «Основания и фундаменты», вып. ХII, Минск, 1976, с.
13. Моргун А. И., Шахирев В. Б. Эффективная конструкция короткой висячей сваи. В сб.: Реферативная информация. Серия II. Организация, механизация и технология промышленного строительства. Вып. 12, Москва, 1976, с. 7-8.
14. Моргун А. И. О совместной работе бипирамидальных свай. В кн.: Новые фундаменты на стройках Одессы. Изд-во Маяк, Одесса, 1975, с. 27.
15. Моргун А. И. Экспериментальные исследования совместной работы бипирамидальных свай с их основанием. Автореферат диссертации на соискание учен ой степени канд. техн. наук, Одесса, ОИСИ,1976, с. 20.
16. Голубков В. Н. Экспериментальные исследования работы свай на вертикальную нагрузку. В сб.:»Свайные и естественные основания» № 10, Госстройиздат, М.-Л., 1939.
17. Голубков В. Н. Несущая способность свайных оснований, Машгиз, 1954.
18. СНиП 2.02.03.85. Свайные фундаменты. — М., 1986.
19. Абраменко П. Г. О распределении сил трения вдоль боковой поверхности свай. Ученые записки аспирантов и соискателей Ленинградского политехнического ин-та, Л., 1964, с. 120-124.
20. Бартоломей А. А. Расчет осадок ленточных свайных фундаментов — М.: Стройиздат, 1972, 128 с.
21. Бахолдин Б. В., Игонькин Н. Т. К вопросу о сопротивлении грунта по боковой поверхности сваи. В сб.: Основания, фундаменты и подземные сооружения. Труды НИИОСП, вып. 58, 1968, с. 9-13.
22. Колесник Г. С., Шахирев В. Б, Моргун А. И. Распределение усилий между остри ем и стволом вертикально нагруженных свай. В кн.: Сборник трудов НИИпромстроя, вып. 13, Уфа, Башкирское книжное издательство, 1973, с. 73-78
23. Таланов Г. П., Лычев П. П. Экспериментальное определение эпюр удельного сопротивления грунта по боковой поверхности свай. В сб.: Основания и фундаменты, вып. 6, Киев: Будів ельник, 1973, с. 124-129.
24. MohanD., Jain G., Kumar V. Load bearing capacity of piles. Geotechnique, Vol. XII, № 1, 1963.
25. SeedN.B. and Reese L.C. The action of soil clay around friction piles. Proc. Amer.Sol. Civil Engrs, 81, Paper 842, 1955, December, 28 pp.
26. Бенарджи П., Батерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М, Мир, 1984, 494 с.
27. Бартоломей А. А. Основы расчеталенточных свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам. — М.: Стройиздат, 1982, 222 с.
28. Федоровский В. Г. К выбору метода рас чета свай при действии продольной и поперечной нагрузок. Труды ин-таНИИ оснований и подземных сооружений, вып. 82, 1984, с. 3-13.
29. Бойко И. П. Свайные фундаменты на нелинейно-деформируемом основании. Автореферат на соискание учен ой степенид. т. н. М. НИИ оснований и подземных сооружений, М., 1989, с. 45.
30.Ottaviani M. Three Dimensional Finite Element analysis of Vertical Loaded PileGroups. Geotechnique, London, Vol. 25, № 2, 1975, pp. 159-174.
31.Petrasovits G. Behaviour of Pile Group under load in granular soils. AstaTechnica Academial Scientiarum Hungarical, 98 (1-2), 1985, p. 105-113.
32. Швецов А. В., Мялицына И. А., Мялицын А. Г. Определение напряженно-деформированного состояния биконическойсваи на основе вязко упругой модели. Труды II всесоюзной конференции, современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР. В сб.: Расчет и проектирование сваи и свайных фундаментов. Под общей редакцией проф. А. А. Бартоломея, Пермь, 1990, с. 25-26.
33. Крыло в К. Е. Несущая способность свай увеличен а вдвое. Строительство и архитектура, Ленинград, 1964,№ 1, с. 25-27.
34. Бреббня К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982, 248 с.
35. Бреббня К., Телес с Ж., ВроубелЛ. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987, 524 с.
36. Тел лес Д. К. Применение метода граничных задач для решения неупругих задач. М.: Стройиздат, 1987, — 160 с.
37. Дал матов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии. Издание второе, переработанное и дополненное. Л.: Стройиздат, ЛО, 1988, 416 с.
38. Дал матов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов. — М.: Стройиздат, 1981, 319с.
39. Харр М. Е. Основы теоретической механики грунтов. — М.: Стройиздат, 1971, 320 с.
40. Горбунов-По садов М. И., Маликова Т. А., Соломин В. И. Расчет конструкций на упругом основании. Издание третье, переработанное и дополненное. М.: Стройиздат, 1984, 679 с.
41. Мин длин Р., Чень Д. Сосредоточенная сила в упругом полупространстве. Механика. Сб. сокращенныхпереводов иностранной периодической литературы, № 4(14), ИЛ, 1952.
42. Любимо в С. А., Кочан Ю. И. Несущая способность призматических свай с забивными оголовками наводонасыщенных грунтах. В сб.: Строительство на посадочных грунтах. Изд-во Ростовского университета, Р/Н, 1973, с. 62-63.
43. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. — М.: Стройиздат, 1985, 35 с.
44. Плато нов Ю. А. Исследование работы свай с забивными оголовками. Автореферат дисс. на соискание ученойстепени канд. техн. наук, ЛИИЖТ, 1970.
45. Руководство по проектированию свайных фундаментов. М., Стройиздат, 1980, 152 с.
46. Свайные фундаменты. В кн.: Основания и фундаменты. Под ред. Леонардса Д. А. Стройиздат, 1968.
47. Циприанович И. В. Расчетфундамента «свая с шайбой» на вертикальную нагрузку. Свайные фундаменты (тезисы докладов семинара-совещания). — К.: Будів ельник, 1971, с.
48. Циприанович И. В. К рас чету свай с забивными уширениями на осевую сжимающую нагрузку. В сб.: Основания и фундаменты, Вып. 5 — К.: Будів ельник, 1972, с.
49. Лап шин Ф. К.
50. Глушкова Л. И. Экспериментальные исследования несущей способности различных типов свай. В сб.:»Современные проблемы строительства», М., 1970.
51. Власов Ю. В., Соловье в Ю. И., Когте в А. В. Исследование несущей способности свай, усиленных оголовками. Проектирование и строительство инженерных сооружений на макропористыхпросадочных грунтах. Материалы научно-технического совещания, Алтайское книжное издательство, 1972.
52. Зуев Е. А. Система программирования Turbo Pascal. Под общ. редакцией к. т. н. доцента П. И. Садчикова. — М.: Радио и связь, 1992, 288 с.
53. Временные указания по проектированию и устройству фундаментов из пирамидальных свай. Республиканские строительные нормы РСН-224-71. Госстрой УССР, Киев, 1971, 50 с.