ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА СО СВАЯМИ ВЫТЕСНЕНИЯ
Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Исина А.З., Алдунгарова А.К.
Геотехнический Институт, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан
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 экспериментальными 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 условия работы грунта по боковой поверхности сваи DDS
Ключевые слова : свая, статические испытания, лабораторный испытания, несущая способность
1. ВВЕДЕНИЕ
Современное строительство ставит перед инженерами и проектировщиками соответствующие требования, поэтому на смену устоявшимся традиционным решениям пришли новые экономически и экологически эффективные энергосберегающие технологии, в том числе технологии устройства свайных фундаментов.
Свайные фундаменты являются одними из самых востребованных типов фундаментов на строительных площадках Казахстана, целесообразность использования которых объясняется необходимостью обеспечения большой несущей способностью высотных зданий и сооружений. В связи с появлением новых технологий и оборудований по устройству свайных фундаментов у проектировщиков возникает потребность в совершенствовании нынешних нормативных документаций, в которых, к сожалению, нет рекомендаций по проектированию свай, устраиваемых по современным технологиям.
В данной статье представлены результаты исследования современной технологии устройства 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 изготовления свай; высокая экономическая эффективность; низкий уровень шума и отсутствие вибраций 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 зданий и сооружений.
Большие различия между экспериментальными (статические испытания) и расчетными (нормативными) значениями несущих способностей буронабивных свай, устраиваемых методом раскатки, свидетельствуют о не полном использовании ресурсов данной технологии.
2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ DDS
Последовательность работ по устройству буронабивных свай, изготовляемых по технологии DDS, включает в себя следующие операции
(Рисунок 1): установка бурового оборудования на место бурения; погружение бурового инструмента с системой уплотнения до проектной отметки;
подсоединение бетононасоса с последующим заполнением скважины бетонной смесью и одновременным извлечением бурового инструмента; погружение в скважину с бетоном арматурного каркаса на проектную отметку.
Отличительной особенностью DDS технологии является буровой инструмент (Рисунок 1). При проходке бурового инструмента вниз, одновременно с бурением производится раскатка скважины, в результате чего происходит радиальное уплотнение грунта без его выемки, при проходке вверх производится доуплотнение стенок, Султанов и др. (2010).
Рисунок 1. Устройство 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, уплотняемость грунта, мощность бетононасоса.
3. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СВАЙ DDS
Для того чтобы наглядно продемонстрировать различия между фактическими и проектными значениями несущей способности, были проведены статические испытания свай DDS. В общем, было испытано 14 свай DDS на двух строительных 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 испытано три сваи диаметром 500мм, длиной 2.5м.
Согласно инженерно-геологическим изысканиям в геологическом строении участка изысканий принимают участие: ИГЭ2 - аллювиальные среднечетвертичные 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 гидравлическим домкратом CMJ- 158A Усилие гидравлического 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 закрепленной 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.
4. СРАВНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ НЕСУЩИХ СПОСОБНОСТЕЙ СВАЙ DDS
Экспериментальные и расчетные (согласно нормативам) значения несущих способностей свай DDS представлены в Таблице (1). Из таблицы видно, что между экспериментальными и расчетными значениями несущих способностей имеет место существенное различие, Султанов и др. (2010).
Сравнительная диаграмма экспериментальных Fu и расчетных Fd несущих способностей свай DDS представлена на Рисунке 2. Как видно из сравнительной диаграммы, все точки расположены выше диагонали, что свидетельствует о том, что все значения экспериментальных несущих способностей, больше значений несущих способностей определенных по нормативам.
Таблица 1. Сравнение частных значений несущих способностей
№ Описание сваи Несущая способность, кН Коэффициент k= Fu/Fd Эксперимента
льная Fu Расчетная 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
Рисунок 2. Сравнение экспериментальных Fu и расчетных Fd несущих способностей свай DDS
5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТА ВОКРУГ СВАИ
Целью лабораторного исследования грунтового массива вблизи сваи являлось определение влияния радиального уплотнения на физико- механические свойства грунта. Для исследования физико-механических
свойств были взяты образцы 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 исследований были отобраны после проведения статических испытаний свай DDS на расстоянии до 0,1, 0,2, 0,4, 0,6, 08 и 1 м от края сваи, с целью определения зоны уплотнения грунта по боковой поверхности сваи. Было пробурено более 30 пробных 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 ГОСТом 12248-96.
Результаты испытаний были подвергнуты статистической обработке целью, которой было определение зоны радиального уплотнения, а также выявление элементов случайности (случайных значений), причиной которых может служить сложность извлечения грунта в ненарушенном состоянии или погрешность измерительных 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 Рисунке 3. При помощи номограмм, можно проводить корректировку модуля деформации, угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от диаметра сваи DDS на стадии проектировании, Султанов и др. (2010).
Рисунок 3. Номограммы для корректировки характеристик грунта
6. 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 длины 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 случае 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 предлагаемой методике 1,2м.
В Таблице (3) показан расчет экономического 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
В данном случае, нами достигнут существенный экономический эффект, с сокращением общих затрат на изготовление сваи DDS, на 20-40%.
Таблица 3. Экономический эффект Параметры
Стоимость устройства 1м3 сваи,
USD
Стоимость материалов на 1м3 сваи, USD
Общие затраты на 1
сваю, USD
Разница затрат, %
Объе кт №1 По
нормам
300 100 3000 -
По методике
300 100 2400 -
Объе кт №2 По
нормам
300 100 630 -
По методике
300 100 380 -
Экономиче ский эффект
Объект №1 600 USD 20 %
Объект №2 250 USD 40 %
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведены статические испытания свай DDS различного диаметра, по результатам которых был проведен сравнительный анализ экспериментальных несущих способностей свай с нормативными. Экспериментальные значения несущих способностей свай DDS, в среднем, в 1,5 раза превышают расчетные, что в свою очередь свидетельствует о не полном использовании ресурсов технологии DDS.
2. Получены номограммы, описывающие зависимость модуля деформации, сцепления и угла внутреннего трения от диаметра свай DDS. Корректировку параметров можно использовать при проектировании свай DDS диаметром от 410 до 600 мм в инженерно геологических условиях схожих с условиями
исследованных строительных объектах. Полученные размеры радиального уплотнения были использованы при численном моделировании.
3. Достигнут экономический эффект рекомендуемой методики определения несущей способности сваи DDS 20-40%.
ССЫЛКИ
Султанов Г.А., Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Енкебаев С.Б., (2010).
«Сравнение работы традиционной буронабивной сваи с работой сваи устраиваемой методом раскатки по результатам численного моделирования»
Материалы республиканской научно-практической конференции ЕНУ им.
Л.Н.Гумилева. Астана, Казахстан, 219-226.
Alibekova, N., Bukenbayeva D., (2008). “About the engineering-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 деформации грунта вокруг сваи устраиваемой методом раскатки» Материалы республиканской научно- практической конференции ЕНУ им. Л.Н.Гумилева. Астана, Казахстан, 214-219.
ГОСТ 12248-96. “Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости”.
Султанов Г.А., Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Енкебаев С.Б., (2010).
«Определение зависимости между экспериментальными и расчетными значениями несущих способностей свай вытеснения» Материалы республиканской научно-практической конференции ЕНУ им. Л.Н.Гумилева.
Астана, Казахстан, 226-232.
