г.Хабаровск, Россия
Исследование взаимодействия между грунтовым основанием и сваей, устраи- ваемой по технологии раскатки
А.Ж. Жусупбеков1, Р.Е. Лукпанов1, Г.А.Султанов2, А.А.Жагпар3
1Геотехнический Институт, Евразийский Национальный Университет им.
Л.Н.Гумилева, Казахстан
2ТОО Проектный институт «Базис», Казахстан
3ТОО «Алуа», Казахстан
Аннотация
В данной статье представлены сравнения несущих способностей буронабивных свай, устраиваемых методом раскатки (сваи DDS), полученных по результатам статических испытаний и по нормативам, а также результаты компрессионных испытаний образцов грунта ,взятых вокруг сваи DDS. В статье также представ- лены результаты численного моделирования традиционной буронабивной сваи и сваи DDS, на основе которых был получен коэффициент условия работы грунта по боковой поверхности сваи DDS.
Ключевые слова: статические испытания, свая, метод раскатки, численное моде- лирование.
1 Введение
На сегодняшний день при устройстве свайных фундаментов все больше применя- ются современные буровые установки, технология которых обеспечивает высокую производительность и надежность конструкций свайных фундаментов. В связи с этим у проектировщиков возникает потребность в совершенствовании нынешних
нормативных документаций, в которых, к сожалению, нет рекомендаций по проек- тированию свай по современным технологиям.
2 Краткое описание технологии DDS
Последовательность работ по устройству буронабивных свай, изготовляемых по технологии DDS, включает в себя следующие операции: установка бурового обору- дования на место бурения; погружение бурового инструмента с системой уплотне- ния до проектной отметки; подсоединение бетононасоса с последующим заполне- нием скважины бетонной смесью под давлением 300 кПа и одновременным извле- чением бурового инструмента; погружение в скважину с бетоном арматурного кар- каса.
Особенностью DDS технологии является буровой инструмент (Рисунок 1). При проходке бурового инструмента вниз, одновременно с бурением производится рас- катка скважины, в результате чего происходит радиальное уплотнение грунта без его выемки, при проходке вверх производится доуплотнение стенок оплывшей скважины непосредственно перед заполнением еѐ бетоном (А.В.Сбитнев, 2008).
Особенность технологии заключается в том, что при устройстве сваи выемки грунта не происходит, грунт радиально вытесняется раскатчиком бурового инструмента, тем самым происходит уплотнение грунта вокруг сваи. Таким образом, становится очевидным, что работа сваи DDS отлична от традиционной сваи.
Рисунок 1. Буровой и инструмент технологии DDS.
3 Статические испытания сваи DDS
Статические испытания свай вытеснения были проведены на следующих строи- тельных объектах:
Объект№1 - «Блок 3,4 жилых домов, торгово-развлекательного комплекса «Хан- Шатыры» в г.Астане»;
Объект№2 - «Производственная база на земельном участке, расположенном по ул.
Можайского».
С целью определения параметров залегающих грунтов были проведены инженерно- геологические изыскания, для чего были взяты образцы грунтов на глубине до 30
метров для объекта №1 и до 10 метров для объекта №2. Физико-механические свой- ства грунтов основания площадок строительства приведены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-механические свойства грунтов.
По результатам испытаний были получены графики зависимости осадки сваи от нагрузки. За критерий предельно допустимой осадки были приняты указания, ре- гламентируемые в СНиП РК 5.01-03-2002. Предельно допустимая осадка принята 16 мм. Частные значения несущих способностей свай, соответствующих предельно допустимой осадке, а так же расчетные по нормативам представлены в таблице 2 (Г.А.Султанов и др., 2010).
Таблица 2. Сравнение частных значений несущих способностей, определенных по результатам статических испытаний и по таблицам МСП.
№ Описание сваи
Несущая способность, кН
Коэффициент k= Fu/Fd
по испытаниям
Fu
по нормативам
Fd 1
Сваи DDS L=17м d=410мм
№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
№ Описание грунтов Мощ- ность
слоя, м
Свойства грунта E,
М Па
С, к П а
φ, гр ад.
ρ, г/с
м3 Объект строительства №1
ИГЭ
2 Суглинки 5,3 7.5 1
4 19 1.9 8 ИГЭ
3 Песок гравелистый 3,0 21.
0 1 38 1.9 2 ИГЭ
4
Щебенистый грунт с суглинистыми включениями
3,7 22.
0 1 38 2.0 0 ИГЭ
5
Гравелистые
суглинки 18,0 13.
0 1
2 27 1.9 2 Объект строительства №2
ИГЭ
2 Суглинки 3,1 7,0 1
3 17 1.9 6 ИГЭ
3 Песок гравелистый 2,8 19,
5 1 37 2,0
8
Сваи DDS L=17м d=600мм
2700 2110
1,28 9 Сваи
DDS L=2м d=500мм
№1 470 272 1,73
10 №2 490 272 1,80
11 №3 460 272
1,69
4 Лабораторные исследования модуля упругой деформации уплотненного во- круг сваи DDS грунта
Диапазон давлений на образец грунта принят в пределах полуторного значения проектного давления от 0,5 до 3,0 МПа, с приращением давления на 0,5 МПа на каждую ступень нагружения.
Значения полученных модулей деформаций были подвергнуты статистической об- работке целью которых является выявление элементов случайности (случайных значений модулей деформации), причиной которых может служить разрушенная структура образца при отборе проб или погрешность измерительных приборов. Ре- зультаты представлены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты компрессионных испытаний.
Характеристики ИГЭ 2 ИГЭ 3 ИГЭ 4
Диаметр сваи, мм 410 500 600 410 500 600 410 500 600 Е 1, кПа 7910 7720 8020 17350 - 17420 9320 - 10230 Е 2, кПа 8130 9150 8200 16780 - 18560 11220 - 12320 Е 3, кПа 7380 7570 8670 18200 - 18420 10460 - 9850 Е 4, кПа 7560 7130 8150 18250 - 17560 9670 - 11680 Е 5, кПа 8050 7920 7900 17440 - 16580 10830 - 10990 Е 6, кПа 6910 8200 7510 16970 - 18030 10860 - 10790 Е 7, кПа 7050 6710 8850 18250 - 18330 9650 - 11520 Е 8, кПа 7330 8150 7110 17330 - 19140 10780 - 11560 Е 9, кПа 9110 7710 7560 17220 - 17890 10130 - - Е 10, кПа - 8870 8730 17400 - 18230 10890 - - Расчетные
значения E, кПа 7296 7489 7738 17211 - 17606 10005 - 10571
По полученным расчетным значениям модулей деформаций при различных диамет- рах свай была получена полигональная зависимость по трем точкам для ИГЭ2 и ли- нейные зависимости по двум точкам для ИГЭ3 и ИГЭ4 (Рисунок 2). Целью функци- ональной зависимости является определение связи между модулем деформации и диаметром сваи DDS, иначе говоря, функциональная зависимость показывает зако-
номерность увеличения модуля деформации для конкретного ИГЭ при увеличении диаметра сваи. Для наглядности на рисунке 2 представлены относительные модули деформации, относительно ИГЭ2, определенные путем деления частного значения модуля деформации на , где Ei – частное значение модуля деформации ИГЭ3 или ИГЭ4 конкретного диаметра, ЕИГЕ2 – значение модуля деформации ИГЭ2 того же диаметра (Г.А.Султанов и др., 2010).
.
Рисунок 2. Функциональные зависимости Е от d.
5 Двухмерное моделирование традиционной буронабивной сваи и сваи DDS в программном комплексе Plaxis.
Моделирование буронабивной сваи выполнено в осесимметричной постановке двухмерной модели упрочняющегося грунта. Геометрическая модель численного моделирования буронабивной сваи включает разделение грунта в пределах отдель- но рассматриваемого инженерно геологического элемента, элемент сваи и равно- мерно 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 лабораторных исследований грунтов до их уплотнения. При моделировании сваи DDS, кластеру грунта, распо- ложенному выше конца сваи, задаются параметры грунта определенные лаборатор- ными исследованиями грунта на компрессионное сжатие после устройства сваи DDS. В статье приведены конечные результаты лабораторных исследований грунта вокруг сваи DDS после статистической обработки. Дополнительные параметры ИГЭ модели упрочняющегося грунта приняты согласно рекомендаций ,предложенных разработчиками программы.
Первый расчетный этап включает моделирование природных напряжений, обуслов- ленных силами гравитации. Во втором этапе к модели сваи была приложена равно- мерно распределенная нагрузка в виде полосовых сил, эмитирующая статическое
загружение сваи. Полосовые силы в программном комплексе Plaxis указываются в единицах силы, отнесенных на единицу площади (кН/м2). Для перехода от значений загружения или расчетных сопротивлений грунта (кН) к полосовым силам (кН/м2) воспользуемся зависимостью: ∑MLoadA=Fd/πr2 .
Для определения зависимости несущих способностей свай DDS и традиционных свай построим сравнительную диаграмму, показывающую соотношение получен- ных при численном моделировании значений несущих способностей традиционных свай к несущим способностям свай DDS. Общая сравнительная диаграмма пред- ставлена на рисунке 3. На диаграмме, точки, показывающие соотношение несущих способностей, расположены выше диагонали, что свидетельствует о том, что значе- ния несущих способностей свай DDS превышает значения несущих способностей традиционных свай. Для определения вышеописанного коэффициента k была опре- делена функциональная линейная зависимость Fu по Fd. Регрессивный анализ функциональной зависимости выполнен методом наименьших квадратов.
Рисунок 3. Сравнение несущих способностей свай DDS и традиционных свай.
Предположительно несущая способность сваи DDS больше несущей способности традиционной сваи. Для упрощения введем коэффициент k, который показывает численное значение различий несущих способностей между сваями DDS и тради- ционными сваями. Приведенный коэффициент будет определен сравнением резуль- татов расчетных сопротивлений грунта при моделировании статического загруже- ния свай DDS и традиционной сваи в программном комплексе PLAXIS.
k=FDDS/Fтр, k>1 (1)
где FDDS – расчетное сопротивление грунта по результатам численного моделиро- вания сваи DDS, кН; Fтр – расчетное сопротивление грунта по результатам числен- ного моделирования традиционной сваи, кН.
Коэффициент условия работы сваи DDS, будет определен по следующей формуле, с учетом коэффициента k:
ϒcf = (kFтр-ϒcϒcRRA)/uϒc∑fihi (2) где k – коэффициент определенный по результатам численного моделирования, по- казывающий различие несущих способностей между сваями DDS и традиционными сваями; ϒcf – коэффициент условия работы грунта по боковой поверхности сваи DDS.
Для определения коэффициента условия работы грунта по боковой поверхности сваи подставим полученный коэффициент k в уравнение 2 и получим ϒcf(ср)=1,28 (Г.А.Султанов и др., 2010).
6 Заключение
По полученным результатам сравнений экспериментальных и расчетных значений несущих способностей свай можно сделать заключение, что расчетные механизмы, регламентируемые нормативными документациями, не дают возможности точного определения несущей способности свай DDS. В среднем фактическая несущая спо- собность превышает расчетную в 1,4 раза, что подтверждает необходимость кор- ректировки нормативных документаций.
По результатам компрессионных испытаний грунтового массива были получены функциональные зависимости, описывающие зависимость модуля деформации от диаметра свай DDS, с коэффициентами корреляции равными 1. Значения коэффи- циентов обоих линейных функций свидетельствуют о тесной связи функций с по- лученными значениями модулей деформации. Данные результаты возможно ис- пользовать при проектировании свай DDS диаметром от 400 до 600 мм в инженерно геологических условиях, схожих с условиями исследованных строительных объек- тах.
При помощи численного моделирования, основанного на методе конечных элемен- тов, был произведен сравнительный анализ работы традиционной буронабивной сваи, с работой сваи, устраиваемой методом раскатки. Получен экспериментально- теоретический коэффициент условия работы грунта по боковой поверхности сваи DDS, равный ϒcf(ср)=1,28. Данный коэффициент наиболее близок к имеющемуся в МСП коэффициенту сваи РИТ, равный ϒcf(ср)=1,3. Это объясняется тем, что при устройстве свай РИТ и DDS имеет место радиальное уплотнение грунта, что несо- мненно сказывается на работе свай.
Список литературы
А.В.Сбитнев. 2008. Несущая способность свай выполненных по технологии вытес- нения в слабых грунтах. Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: (05.23.02).
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный универси- тет. 82-83.
Г.А.Султанов, А.Ж.Жусупбеков, Р.Е.Лукпанов, С.Б.Енкебаев. 2010. Определение за- висимости между экспериментальными и расчетными значениями несущих спо- собностей свай вытеснения. Материалы республиканской научно-практической конференции. Архитектура, Строительство и Транспорт: Проблемы и Перспекти- вы Развития. 226-232.
Г.А.Султанов, А.Ж.Жусупбеков, Р.Е.Лукпанов, С.Б.Енкебаев. 2010. Лабораторные исследования модуля деформации грунта вокруг сваи устраиваемой методом рас- катки. Материалы республиканской научно-практической конференции. Архитек- тура, Строительство и Транспорт: Проблемы и Перспективы Развития. 214-219.
Г.А.Султанов, А.Ж.Жусупбеков, Р.Е.Лукпанов, С.Б.Енкебаев. 2010. Сравнение рабо- ты традиционной буронабивной сваи с работой сваи устраиваемой методом рас- катки по результатам численного моделирования. Материалы республиканской научно-практической конференции. Архитектура, Строительство и Транспорт:
Проблемы и Перспективы Развития. 219-226.
