Исследование взаимодействия грунтового массива со сваями вытеснения

1 ВВЕДЕНИЕ

Современное строительство ставит перед инже- нерами и проектировщиками соответствующие требования, поэтому на смену устоявшимся тра- диционным решениям пришли новые экономи- чески и экологически эффективные энергосбере- гающие технологии, в том числе технологии устройства свайных фундаментов.

Свайные фундаменты являются одними из самых востребованных типов фундаментов на строительных площадках Казахстана, целесооб- разность использования которых объясняется необходимостью обеспечения большой несущей способностью высотных зданий и сооружений. В связи с появлением новых технологий и обору- дований по устройству свайных фундаментов у проектировщиков возникает потребность в со- вершенствовании нынешних нормативных доку- ментаций, в которых, к сожалению, нет рекомен- даций по проектированию свай, устраиваемых по современным технологиям.

В данной статье представлены результаты исследования современной технологии устрой- ства свай DDS или FDP (full displacement pile).

Данная технология является одним из последних продуктов немецких производителей BAUER и несомненно представляет практический интерес для современного строительства Казахстана.

Главными преимуществами данной технологии являются: высокая производительность изготов- ления свай; высокая экономическая эффектив- ность; низкий уровень шума и отсутствие вибра- ций при устройстве свай; а самое главное высокая несущая способность сваи.

Несмотря на вышеизложенные преимущества данную технологию не рекомендуется применять в условиях плотной городской застройки в связи с влиянием на фундаменты существующих зда- ний и сооружений.

Большие различия между эксперименталь- ными (статические испытания) и расчетными (нормативными) значениями несущих способно- стей буронабивных свай, устраиваемых методом

Исследование взаимодействия грунтового массива со сваями вытеснения

Жусупбеков А.Ж.

Проф. Геотехнического Института, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан Тел./Факс: +7 7172 344796, Email:astana-geostroi@mail.ru

Хое Линг

Проф. кафедры Гражданского строительства и инженерной механики, Университет Колумбия, Нью-Йорк, США

Тел./Факс: +1212 854 6267, Email:hil9@columbia.edu Лукпанов Р.Е.

PhD Геотехнического Института, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан Тел./Факс: +7 7172 344796, Email:rauan_82@mail.ru

Tulebekova, A.

PhD Геотехнического Института, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан Тел./Факс: +7 7172 344796, Email:krasavka5@mail.ru

АННОТАЦИЯ: В данной статье представлены сравнения несущих способностей буронабивной свай устраиваемой методом раскатки (сваи DDS) полученных по результатам статических испытаний и по нормативам, на основе которых была получена функциональная зависимость между эксперимен- тальными и расчетными значениями несущих способностей свай. Также представлены результаты компрессионных испытаний образцов грунта взятых вокруг сваи устраиваемой методом раскатки без выемки грунта (свая DDS). Определена зависимость модуля деформации, угла внутреннего трения, сцепления от диаметра сваи. Результаты численного моделирования традиционной буронабивной сваи и сваи устраиваемой методом раскатки (сваи DDS), на основе которых был получен коэффициент ус- ловия работы грунта по боковой поверхности сваи DDS

Ключевые слова : свая, статические испытания, лабораторный испытания, несущая способность

раскатки, свидетельствуют о не полном исполь- зовании ресурсов данной технологии.

2 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ DDS

Последовательность работ по устройству буро- набивных свай, изготовляемых по технологии DDS, включает в себя следующие операции (Ри- сунок 1): установка бурового оборудования на место бурения; погружение бурового инструмен- та с системой уплотнения до проектной отметки;

подсоединение бетононасоса с последующим за- полнением скважины бетонной смесью и одно- временным извлечением бурового инструмента;

погружение в скважину с бетоном арматурного каркаса на проектную отметку.

Рисунок 1. Устройство сваи DDS

Отличительной особенностью DDS техноло- гии является буровой инструмент (Рисунок 2).

При проходке бурового инструмента вниз, одно- временно с бурением производится раскатка скважины, в результате чего происходит ради- альное уплотнение грунта без его выемки, при проходке вверх производится доуплотнение сте- нок,Султанов и др.(2010).

Рисунок 2. Буровой инструмент сваи DDS

Данная технология позволяет устраивать сваи диаметром до 0,6 м на глубину до 30 м. При расчете производительности следует учитывать следующие параметры: диаметр сваи, величину прилагаемого вращающего момента и усилия вдавливания, плотность (прочность грунта, уп- лотняемость грунта, мощность бетононасоса.

3 СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СВАЙ DDS Для того чтобы наглядно продемонстрировать различия между фактическими и проектными значениями несущей способности, были прове- дены статические испытания свай DDS. В об- щем, было испытано 14 свай DDS на двух строи- тельных площадках. На первой строительной площадке «Торгово-развлекательный центр Хан- Шатыры» было испытано 11 свай, 8 из которых диаметром 410мм, длиной 18м, 2 сваи диаметром 500мм, длиной 10м и 1 свая диаметром 600м, длиной 18м. На второй строительной площадке

«Производственная база ТОО “KGS”» было ис- пытано три сваи диаметром 500мм, длиной 2.5м.

Согласно инженерно-геологическим изысканиям в геологическом строении участка изысканий принимают участие: ИГЭ2 - аллювиальные сред- нечетвертичные отложения, представленные в виде чередующихся напластований глинистых, ИГЭ3 - суглинистых и суглинисто-песчаных грунтов, а так же ИГЭ4 - среднечетвертичные отложения, представленные в виде глинистых и суглинистых отложений,Алибекова и др.(2008).

Нагрузка на сваю прикладывалась ступенями по 400кН и 200кН до предельной 2800кН гид- равлическим домкратом CMJ- 158A Усилие гид- равлического домкрата регулируется подачей жидкости от насосной станции и фиксируется техническим манометром. Перемещение сваи замеряется по прогибомерам с классом точности 0,01 мм, которые закреплены на неподвижно за- крепленной к земле реперной системе. Реперная система независима от движения системы балок и свай.

Разгрузка осуществлялась ступенями по 800кН и 400кН.

За критерий предельно допустимой осадки были приняты указания, регламентируемые в СНиП РК 5.01-03-2002 - Свайные фундаменты.

За частное значение предельного сопротив- ления сваи Fu вдавливающей нагрузке следует принимать нагрузку, под воздействием которой испытываемая свая получит осадку, равную S и определяемую по Формуле 1:

mt

Su

S 



_, (1)

где

s

u,mt — предельное значение средней осадки фундамента проектируемого здания или сооружения, для производственных и граждан- ских одноэтажных и многоэтажных зданий с полным каркасом принимается равным 8 см (для железобетонных конструкций) по указаниям СНиП РК 5.01-01-2002;

 — коэффициент перехода от предельного значения средней осадки фундамента здания или сооружения s_u,mt к осадке сваи, полученной при статических испытаниях с условной стабилиза- цией (затуханием) осадки, принимается равной 0,2 по указаниям.

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ БУРОНАБИВНОЙ СВАИ СОГЛАСНО КАЗАХСТАНСКИМ НОРМАТИВАМ

Для анализа несущей способности сваи DDS по- лученной по результатам статических испытаний были проведены расчеты несущей способности сваи DDS согласно Казахстанскому нормативу СНиП РК 5.01.01-2002. Согласно Формуле 2, не- сущая способность свай по грунту Fd (кН), на вертикальную сжимающую нагрузку, определя- ется как сумма расчетных сопротивлений грун- тов основания под нижним концом сваи и по ее боковой поверхности:

)

( _{cR cf i i}

c

d RA u fh

F ^

^{ }

^

 ^

⁽²⁾

где γ_c – коэффициент условий работы в грунте, принимаемый равным 1; γcR, γcf – коэф- фициенты условий работы грунта соответствен- но под нижним концом и по боковой поверхно- сти сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта;

Свая DDS работает аналогично, однако при устройстве сваи DDS, происходит радиальное уплотнение грунта, что в свою очередь, приводит к увеличению несущей способности сваи. Коэф- фициенты условий работ свай устраиваемых по современным технологиям, в нормативном до- кументе отсутствуют, а применение вышеуказан- ных коэффициентов приведенных для бурона- бивных свай (равного 0,7) представляется некорректным при проектировании современных буронабивных свай.

Поскольку, при использовании технологий DDS применяется инструмент уплотняющий грунт, а подача бетонной смеси производится

под давлением, то работа свай DDS наиболее близка, из имеющихся в нормативе, к работе свай РИТ (Разрядно Импульсная Технология), где имеет место импульсное двукратное ушире- ние ствола сваи, для которой коэффициент усло- вия работы равен 1,3. Иначе говоря, при проек- тировании свай DDS, использование рекомендуемого нормативами (0,7) коэффициен- та работы свай по боковой поверхности, приво- дит к значительному занижению несущей спо- собности. Из вышесказанного становится очевидным необходимость определения и вне- дрение данного коэффициента в нормативные документации Казахстана.

5 СРАВНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ НЕСУЩИХ СПОСОБНОСТЕЙ СВАЙ DDS

Экспериментальные и расчетные (согласно нор- мативам) значения несущих способностей свай DDS представлены в Таблице (1). Из таблицы видно, что между экспериментальными и рас- четными значениями несущих способностей имеет место существенное различие, Султанов и др. (2010).

Таблица 1. Сравнение частных значений не- сущих способностей

№ Описание сваи

Несущая способ- ность, кН

Коэффици- ент k= F_u/F_d Экспе-

римен- тальная

F_u

Расчет- ная Fd

1 Свая DDS L=17м d=410 мм

№1 2280 1545 1,48

2 №2 2150 1545 1,39

3 №3 2325 1545 1,50

4 №4 2475 1545 1,60

5 №5 2200 1545 1,42

6 №6 2080 1545 1,35

7 №7 2190 1545 1,42

8

Свая DDS L=17м d=600мм

2700 2110 1,28

9 Свая DDS L=2м d=500мм

№1 470 272 1,73

10 №2 490 272 1,80

11 №3 460 272

1,69

Сравнительная диаграмма эксперименталь- ных Fu и расчетных Fd несущих способностей свай DDS представлена на Рисунке 3. Как видно из сравнительной диаграммы, все точки распо- ложены выше диагонали, что свидетельствует о том, что все значения экспериментальных несу-

щих способностей, больше значений несущих способностей определенных по нормативам.

Рисунок 3. Сравнительная диаграмма экспе- риментальных F_uи расчетныхF_dнесущих спо-

собностей свай DDS 6 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

УПЛОТНЕННОГО ВОКРУГ СВАИ ГРУНТА Целью лабораторного исследования грунтового массива вблизи сваи является определение влия- ния радиального уплотнения на физико- механические свойства грунта. Для исследования физико-механических свойств были взяты об- разцы грунта до и после устройства свай DDS на строительной площадке «Торгово- развлекательного комплекса «Хан-Шатыры» в г.Астане», где были использованы сваи DDS различного диаметра (ранее уже упоминались).

Образцы грунтов для лабораторных исследова- ний были отобраны после проведения статиче- ских испытаний свай DDS на расстоянии до 0,1, 0,2, 0,4, 0,6, 08 и 1 м от края сваи, с целью опре- деления зоны уплотнения грунта по боковой по- верхности сваи. Было пробурено более 30 проб- ных скважин глубиной до 10 м с интервалом 0,5м по глубине. Расстояния между скважинами составили 0,2-1,2м в зависимости от удаления от сваи. Лабораторные испытания проводились в соответствии с ГОСТом12248-96.

Результаты испытаний были подвергнуты статистической обработке целью, которой было определение зоны радиального уплотнения, а также выявление элементов случайности (слу- чайных значений), причиной которых может служить сложность извлечения грунта в ненару- шенном состоянии или погрешность измери- тельных приборов.

По результатам испытаний зона радиального уплотнения для ИГЭ2 составила 0,6-0,8м, для ИГЭ3 и ИГЭ4 0,4-0,6м. Полученные значения модуля деформации, угла внутреннего трения и сцепления отображены в графическом виде на Рисунках 4-6. При помощи номограмм, можно

проводить корректировку модуля деформации, угла внутреннего трения и сцепления в зависи- мости от диаметра сваи DDS на стадии проекти- ровании, Султанов и др. (2010).

Рисунок 4. Номограмма для корректировки мо- дуля деформации

Рисунок 5. Номограмма для корректировки сце- пления

Рисунок 6. Номограмма для корректировки угла внутреннего трения

7 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВАЙ DDS

Целью исследования является определение влия- ния уплотнения грунта в результате его вытесне- ния на несущую способность сваи DDS.

Моделирование буронабивной сваи выпол- нено в осесимметричной постановке двухмерной

модели упрочняющегося грунта. Размеры гео- метрической модели приняты из условия, что распределение напряжений будут пренебрежитель- но малы в пределах заданной зоны.

На Рисунке 7 представлена геометрическая модель буронабивной сваи, включающая разде- ление грунта в пределах отдельно рассматривае- мого инженерно геологического элемента, эле- мент сваи и равномерно распределенную нагрузка на сваю. Разделение грунта в пределах одного ИГЭ подразумевает то, что уплотнение грунта под нижним концом сваи не происходит, следовательно, кластеру, расположенному под нижним концом сваи присваиваются параметры полученные по результатам полевых и лабора- торных исследований грунтов до их уплотнения.

При моделировании сваи DDS, кластеру грунта расположенному выше конца сваи задаются па- раметры грунта определенные опытным путем после устройства сваи DDS с учетом зоны ради- ального уплотнения.

Предположительно несущая способность сваи DDS больше несущей способности тради- ционной сваи. Введем коэффициент k, который показывает численное значение различий несу- щих способностей между сваями DDS и тради- ционными сваями.

1 . ,

) (

)

( 

 k

F k F_tr

PLX d

DDS PLX

d (3)

где: F_d^DDS_(PLX)– расчетное сопротивление грунта по результатам численного моделирова- ния сваи DDS,кН;

tr PLX

Fd_{( )}– расчетное сопротивление грунта по результатам численного моделирования тради- ционной сваи,кН.

Коэффициент условия работы сваи DDS, бу- дет определен по формуле 4, с учетом коэффици- ентаk.







i i c

cr c tr DDS d

cf u f h

RA kF





 

₍₄₎

где: Y^DDS cf – коэффициент условия работы грунта по боковой поверхности сваи DDS;

F ^ТРd – расчетная несущая способность тра- диционной сваи;

Yc, Ycf– тоже, что и Формуле 2.

Для определения зависимости несущих спо- собностей свай DDS и традиционных свай по-

строим сравнительные диаграммы, показываю- щие соотношения полученных при численном моделировании значений несущих способностей традиционных свай к несущим способностям свай DDS (Рисунок 8).

Рисунок 7. Геометрическая модель сваи DDS

Рисунок 8. Результаты моделирования

Из диаграмм видно, что значения коэффици- ентов условия работы грунта по боковой поверх- ности сваи DDS составляют: для ИГЭ2 – 1.38, ИГЭ3 – 1.26, ИГЭ4 – 1.2.

8 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ DDS

Для определения экономической эффективности технологии DDS были проведены расчеты свай по Казахстанским нормативам и по результатам исследования. В Таблице (2) представлены дли- ны свай DDS определенные по нормативам и по предлагаемой методике, исходя из проектных нагрузок на сваю: 150 т для объекта №1, 25 т для объекта №2. Как мы видим, на объекте 1, в слу- чае определения несущей способности сваи по нормативам, требуемая длина сваи составляет 18 м, при использовании предлагаемой методики, длина сваи уменьшается до 12 м. На объекте 2 по нормативам длина сваи составляет 2м, по пред- лагаемой методике 1,2м.

В Таблице (3) показан расчет экономическо- го эффекта, исходя из современных расценок устройства свай DDS.

Таблица 2. Расчет длин свай DDS

Длины свай DDS, м /(Несущая способность сваи, кН) Объект №1 (d=410мм) Объект №2 (d=500мм)

по нормативам

по предлагаемой

методике

по нормативам

по предлагаемой

методике 1545кН /

15м

1556кН / 12м 272кН / 2м 274кН / 1,2м

Таблица 3. Экономический эффект

Параметры

Стои- мость устрой-

ства 1м³ сваи, USD

Стои- мость мате- риалов на 1м³ сваи, USD

Общие затраты на 1 сваю,

USD

Разница затрат,

%

Объект №1

По нормам 300 100 3000 -

По методике 300 100 2400 -

Объект №2

По нормам 300 100 630 -

По методике 300 100 380 -

Экономи- ческий эффект

Объект №1 600

USD 20 %

Объект №2 250

USD 40 %

В данном случае, нами достигнут сущест- венный экономический эффект, с сокращением общих затрат на изготовление сваи DDS, на 20- 40%. В данном случае, нами достигнут сущест- венный экономический эффект, с сокращением общих затрат на изготовление сваи DDS, на 20- 40%.

9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены статические испытания свай DDS различного диаметра, по результатам которых был проведен сравнительный анализ экспери- ментальных несущих способностей свай с нор- мативными. Экспериментальные значения несу- щих способностей свай DDS, в среднем, в 1,5 раза превышают расчетные, что в свою очередь свидетельствует о не полном использовании ре- сурсов технологии DDS

.

2. Получены номограммы, описывающие зави- симость модуля деформации, сцепления и угла внутреннего трения от диаметра свай DDS. Кор- ректировку параметров можно использовать при проектировании свай DDS диаметром от 410 до 600 мм в инженерно геологических условиях схожих с условиями исследованных строитель- ных объектах. Полученные размеры радиального уплотнения были использованы при численном моделировании.

3. По результатам численного моделирования получен экспериментально-теоретический коэф- фициент условия работы грунта по боковой по- верхности сваи DDS, равный 1,28. При этом раз- ница между экспериментальными и расчетными значениями несущих способностей уменьшается от 1,51 до 1,14.

4. Достигнут экономический эффект рекомен- дуемой методики определения несущей способ- ности сваи DDS 20-40%.

ССЫЛКИ

Султанов Г.А., Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Енкебаев С.Б., (2010). «Сравнение работы традиционной буронабив- ной сваи с работой сваи устраиваемой методом раскатки по результатам численного моделирования» Материалы рес- публиканской научно-практической конференции ЕНУ им.

Л.Н.Гумилева.Астана, Казахстан, 219-226.

Alibekova, N., Bukenbayeva D., (2008). “About the engineer- ing-geological conditions of Astana”, Proc. 6th Asian Young Geotechnical Engineers Conf.Bangalore, India, 188-192.

СНиП РК 5.01-03-2002 “Свайные фундаменты”.

СНиП РК 5.01-01-2002 “Основания и фундаменты”.

Султанов Г.А., Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Енкебаев С.Б., (2010). «Лабораторные исследования модуля дефор- мации грунта вокруг сваи устраиваемой методом раскатки»

Материалы республиканской научно-практической конфе- ренции ЕНУ им. Л.Н.Гумилева. Астана, Казахстан, 214-219.

ГОСТ 12248-96. “Методы лабораторного определения ха- рактеристик прочности и деформируемости”.

Султанов Г.А., Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Енкебаев С.Б., (2010). «Определение зависимости между экспери- ментальными и расчетными значениями несущих способ- ностей свай вытеснения»Материалы республиканской на- учно-практической конференции ЕНУ им. Л.Н.Гумилева.

Астана, Казахстан, 226-232.