Россия
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
Одним из способов повышения несущей способности буронабивных свай является прида-ние им конусности. Особенность работы таких свай (клиновидных) состоит в том, что под нагрузкой они работают «в распор» и передают часть нагрузки за счёт нормальной со-ставляющей по наклонной боковой поверхности. Испытывались три типоразмера бурона-бивных конических свай длиной 4,5 м, диаметром головы 0,4; 0,5; 0,6 м с углом конусности 1о–2,5о. Результаты испытаний сравнивались с результатами испытаний цилиндрических буронабивных свай длиной 4,5 м диаметром головы 0,4 м и 0,6 м. Выявлено, что с увеличением угла конусности несущая спо-собность свай на вдавливающую нагрузку, особенно удельная несущая способность на 1 м3 материала по сравнению с цилиндрическими сваями, существенно возрастает. Определено, что несущая способность на горизонтальную нагрузку тем выше, чем больше диаметр голо-вы сваи, а на выдёргивающую нагрузку равно усилию отрыва сваи из грунта.
буронабивная свая, конусность сваи, буровой став, статические испытания, несущая спо-собность.
Введение. Буронабивные сваи, в отличие от забивных, изготавливают непосредственно на строительной площадке в пробуренных скважинах в грунте ненарушенной структуры. Такие сваи выгодно применять в стеснённых условиях строительства в связных неводонасыщенных грунтах. Однако известно, что прочность материала ствола цилиндрических буронабивных свай используется лишь на 25–45 %. Одним из путей повышения несущей способности буронабивных свай является придание им конической формы, по типу пирамидальных забивных свай или конусных набивных свай в пробитых скважинах. Особенность работы свай, сужающихся к острию (пирамидальных, клиновидных), состоит в том, что под нагрузкой они работают «в распор», подобно объёмному клину, и передают часть нагрузки за счёт нормальной составляющей по наклонной боковой поверхности. На основе этого явления и была предложена конструкция буронабивной конической сваи, сочетающая в себе основные преимущества забивных клиновидных и буронабивных свай [1]. Результаты модельных испытаний таких свай показали их эффективность и предопределили проведение их натурных полевых испытаний.
Диаметр голов натурных буронабивных конических свай был принят по типу модельных свай dг= 0,4; 0,5; 0,6 м. Для удобоукладываемости бетонной смеси и последующего её уплотнения в суженной нижней части скважины (острия) минимальный диаметр торца был принят dо= 0,2 м. При длине сваи 4,5 м и принятых диаметрах голов и торца (острия) конусность свай составила 1–2,5°. Для получения сравнительных данных испытывались также две цилиндрические сваи диаметром 0,4 и 0,6 м длиной также 4,5 м (рис. 1). Обозначения свай приняты по их наименова-
нию – БКС (буронабивные конические сваи) и БЦС (буронабивные цилиндрические сваи), размеры свай на рис. 1 даны в сантиметрах. Все опытные сваи изготавливались из бетона класса В20 и армировались четырьмя стержнями арматуры диаметром 20 мм марки А-III (А-400).
Методология. Известно, что достоверными являются результаты испытаний натурных конструкций свай в грунтах природного сложения. В настоящей работе приводятся результаты полевых испытаний буронабивных конических свай на действие вертикальной вдавливающей, горизонтальной и выдёргивающей нагрузок по
ГОСТ 5686–2012 [2] на экспериментальном полигоне. Для бурения конических скважин были спроектированы и изготовлены буровые ставы трёх типоразмеров. Они состояли из шнека, соединённого со сменным породоразрушающим наконечником-резцом пальцем. Для повышения эффективности транспортирования разрабатываемого грунта на поверхность лопасти шнека установлены с различным шагом. Торцы лопастей и низ резца снабжены твёрдосплавными пластинами (рис. 2). Конические ставы, так же, как и обычные цилиндрические ставы диаметром 0,4 м и 0,6 м, использовались как сменное оборудование к бурильным установкам типа БУК-600, СО-2, УБС-1 (рис. 3).
На опытном полигоне была отработана технология изготовления буронабивных конических свай. Работы по их изготовлению выполнялись звеном из четырёх человек: машиниста бурильной установки, крановщика и двух бетонщиков. Время цикла на изготовление одной сваи с учётом конкретных производственных условий – 24–30 мин.
Рис. 1. Типоразмеры опытных буронабивных конических и цилиндрических свай
Для испытаний статической вдавливающей нагрузкой применялся гидравлический домкрат ДГО-200 грузоподъёмной силой 200 т, упором для которого служил специальный анкерный стенд, состоящий из главной 6-ти метровой стальной балки и двух вспомогательных балочек. Реактивные усилия воспринимались четырьмя анкерными цилиндрическими сваями диаметром 0,6 м. Горизонтальная нагрузка одновременно на две буронабивные конические сваи создавалась домкратом ДГ-50 через головы свай попарно, расположенным между ними (рис. 4). При испытании буронабивных конических свай выдёргивающей нагрузкой использовалась главная балка анкерного стенда, опёртая на фундаментные бетонные блоки.
Рис. 2. Ставы (шнеки) буровые конические
Рис. 3. Бурильная установка БУК-600 с
буровым конически ставом (шнеком)
Рис. 4. Экспериментальный полигон по испытанию свай разными видами нагрузок
По результатам испытаний строились графики зависимости «нагрузка-осадка», «нагрузка-горизонтальное перемещение», «нагрузка-выход из грунта», и по ним определялась несущая способность свай согласно СП 22.13330.2011 [3] и СП 22.13330.2011 [4].
Основная часть. Всего на экспериментальном полигоне в г. Павлодаре, сложенном твёрдой супесью с объёмной массой ρ =1,82 т/м3, углом внутреннего трения φ = 22о и модулем деформации Е = 18 МПа, было испытано 17 буронабивных конических свай (БКС) и цилиндрических (БЦС) свай с диаметром голов 0,6; 0,5; 0,4 м следующими видами нагрузок: вдавливающей нагрузкой – 7 шт., горизонтальной – 6 шт. (попарно), выдёргивающей – 4 шт. За эталонную была принята цилиндрическая свая диаметром 0,4 м (БЦС-40), так как её объём сопоставим с объёмами конических свай.
Результаты испытаний свай приведены в табл. 1. Они показали, что несущая способность буронабивных конических свай на вдавливающую нагрузку F в указанных грунтовых условиях в 1,2…1,4 раза больше, чем цилиндрических. Это можно объяснить дополнительным отпором грунта по боковой поверхности при нагрузке, то есть так называемым клиновым эффектом. С увеличением угла конусности α (рис. 1) повышается несущая способность свай, и одновременно увеличивается расход материала на их изготовление. При этом удельная несущая способность конических свай (F/V) при осадке на
20 мм составила от 519 кН/м3 до 981 кН/м3, цилиндрическая диаметром 0,6 м – 493 кН/м3, цилиндрическая диаметром 0,4 м – 735 кН/м3.
Анализ результатов испытаний свай позволил сравнить зависимости, а также технико-экономически обосновать расход материала свай по коэффициенту эффективности использования материала сваи Кэ равному отношению удельных несущих способностей исследуемых свай к удельной несущей способности эталонной. Так как за эталонную была принята цилиндрическая свая диаметром 40 см – БЦС-40, то показатели Кэ для разных свай вычислялись по формуле F/V:(F/V)БЦС-40. Дополнительно вычислялся коэффициент применения свай Кп, определяемый как отношение несущих способностей исследуемых свай к несущей способности эталонной сваи (F/FБЦС-40). Численные показатели обоих коэффициентов с увеличением угла конусности свай имели нарастающий характер.
Анализ данных табл. 1 показал, что зависимость несущей способности конических свай на разные виды нагрузок от их угла конусности α близка к прямо пропорциональной (рис. 5).
Оптимальный угол конусности α = 2,32ʹ найден графически на пересечении кривых зависимости коэффициентов Кп и Кэ (рис. 6). При длине сваи равной 4,5 м и диаметре нижнего торца 0,2 м эффективной конструкцией теоретически в исследованных пределах оказалась свая с диаметром головы 0,56 м.
Величина несущей способности свай при действии горизонтальной нагрузки Fгор определялась при перемещении головы сваи на Δ = 10 мм. Анализ полученных данных из табл.1 показал, что сопротивление свай горизонтальной нагрузке зависит от диаметра ствола сваи в верхней части и будет тем выше, чем больше его диаметр. Конические сваи БКС-40/20 и цилиндрические БЦС-40 имеют одинаковый диаметр головы, но у них выявлена разная несущая способность – в среднем 21 и 36 кН соответственно. Это объясняется утоньшением ствола конических свай к острию. У свай БКС-60/20 несущая способность значительно выше и составляет в среднем 73 кН, поскольку диаметр головы у них 0,6 м, а диаметр ствола равным 0,4 м (как у эталонной сваи) достигается на глубине более 2 м.
В процессе испытаний свай горизонтальной нагрузкой были выполнены наблюдения за деформациями грунта, вызванными смещениями свай. При начальных ступенях нагрузки, когда головы свай переместились на 8–10 мм, на поверхности грунта возле свай появлялись еле заметные радиальные трещины. С дальнейшим перемещением голов свай от нагрузок трещины увеличивались. Их длина достигала 30–40 см, ширина – до 3 см, максимальная глубина – 15 см. Между сваей и грунтом в месте приложения нагрузки образовывалась серповидная щель, которая увеличивалась по мере роста ступеней нагрузок. Обрушения грунта в щель на протяжении всего испытания не наблюдалось. Таким образом, выявлены при таком виде нагружения свай три фазы деформации оснований: уплотнения, локальных сдвигов и фаза развития значительных сдвигов.
Таблица 1
Результаты натурных испытаний буронабивных конических свай
|
Марка сваи |
Угол конус- ности α, град |
Объём сваи V, м3 |
Площадь боковой поверхности сваи, м2 |
Несущая способность, кН |
F V кН/м3 |
Кп |
Кэ |
||
|
F |
Fгор |
Fвыд |
|||||||
|
Вдавливающая нагрузка |
|||||||||
|
БЦС-40 |
- |
0,547 |
5,38 |
402 |
- |
- |
735 |
1 |
1 |
|
БКС-40/20-1 |
1о20ʹ |
0,316 |
4,03 |
164 |
- |
- |
519 |
0,408 |
0,706 |
|
БКС-40/20-2 |
1о20ʹ |
0,316 |
4,03 |
201 |
- |
- |
636 |
0,500 |
0,865 |
|
БКС-50/20 |
2о |
0,439 |
4,71 |
380 |
- |
- |
866 |
0,945 |
1,178 |
|
БКС-60/20-1 |
2о40ʹ |
0,585 |
5,38 |
565 |
- |
- |
966 |
1,405 |
1,314 |
|
БКС-60/20-2 |
2о40ʹ |
0,585 |
5,38 |
574 |
- |
- |
981 |
1,428 |
1,335 |
|
БЦС-60 |
- |
1,230 |
8,06 |
606 |
- |
- |
493 |
1,507 |
0,671 |
|
Горизонтальная нагрузка |
|||||||||
|
БЦС-40-1 |
- |
0,547 |
5,38 |
- |
39 |
- |
- |
- |
- |
|
БЦС-40-2 |
- |
0,547 |
5,38 |
- |
33 |
- |
- |
- |
- |
|
БКС-40/20-1 |
1о20ʹ |
0,316 |
4,03 |
- |
20 |
- |
- |
- |
- |
|
БКС-40/20-2 |
1о20ʹ |
0,316 |
4,03 |
- |
23 |
- |
- |
- |
- |
|
БКС-60/20-1 |
2о40ʹ |
0,585 |
5,38 |
- |
67 |
- |
- |
- |
- |
|
БКС-60/20-2 |
2о40ʹ |
0,585 |
5,38 |
- |
78 |
- |
- |
- |
- |
|
Выдёргивающая нагрузка |
|||||||||
|
БЦС-40 |
- |
0,547 |
5,38 |
- |
- |
120 |
- |
- |
- |
|
БКС-40/20 |
1о20ʹ |
0,316 |
4,03 |
- |
- |
12 |
|
|
|
|
БКС-50/20 |
2о |
0,439 |
4,71 |
- |
- |
32 |
- |
- |
- |
|
БКС-60/20 |
2о40ʹ |
0,585 |
5,38 |
- |
- |
48 |
- |
- |
- |
Рис. 5. График зависимости несущей способности свай при вдавливающей F (1), горизонтальной Fгор
(2) и выдёргивающей Fвыд (3) нагрузках от угла
их конусности α
Рис.6. График зависимости коэффициентов
применения Кп (1) и эффективности использования материала Кэ (2) от угла конусности α
Выход свай из грунта под действием выдёргивающей нагрузки Fвыд показал, что сопротивление конических свай такому виду нагрузки очень мало (см. табл. 1). Критическая нагрузка достигается при 3–4 мм, когда выход сваи из грунта с учётом веса свай принимает незатухающий характер. За несущую способность свай принимался выход их из грунта при нагрузке на одну ступень менее нагрузки, без увеличения которой выход сваи непрерывно возрастал. Это относилось к величинам выхода свай на 1,5–2 мм.
Коническая свая БКС-60/20 и эталонная свая БЦС-40 имеют абсолютно одинаковую площадь боковой поверхности. Однако сопротивление у цилиндрической сваи выдёргивающей нагрузке в 2,5 раза выше, чем конической. Следовательно, для конических свай характерна не величина трения по боковой поверхности, а усилие отрыва для сил сцепления. С увеличением угла конусности свай возрастает площадь боковой поверхности, то есть увеличивается площадь сцепления с грунтом, и, соответственно, сопротивление свай выдёргивающим нагрузкам возрастает. Так, для сваи БКС-40/20 несущая способность равна 12 кН, для сваи БКС-50/20 – 32 кН, для сваи БКС-60/20 – 48 кН.
После завершения испытаний для выявления качества изготовления буронабивных конических свай некоторые из них были откопаны (рис. 7).
Рис. 7. Откопанная буронабивная коническая свая БКС-60/20
Результаты проведенных испытаний были использованы при проектировании и строительстве сельскохозяйственных, гражданских и некоторых промышленных сооружений производственного и вспомогательного назначений.
Выводы. Несущая способность буронабивных свай может быть увеличена за счёт придания им конусной формы. Разработанные конструкции буронабивных конических свай с углом конусности от 1о до 2,5о обладают удельной несущей способностью (на 1 м3 материала) на 20–
40 % выше, чем равные им по объёму цилиндрические сваи. Несущая способность конических свай при действии горизонтальной и выдёргивающей нагрузок тем выше, чем больше диаметр головы сваи.
Результаты натурных испытаний буронабивных конических свай на разные виды нагрузок показали их эффективность. Из исследуемых типоразмеров лучшие исследуемые показатели у сваи БКС-60/20, худшая у сваи БКС-40/20. Область рационального применения таких свай – связные грунты, в которых не требуется крепления стенок скважин, а уровень грунтовых вод в период строительства должен быть расположен ниже глубины бурения скважины. Предпочтительнее, когда с поверхности залегают более прочные грунты. Не рекомендуется применять их в набухающих, пучинистых, а также насыпных грунтах с включением строительного мусора.
При соблюдении разработанной и опробованной технологии изготовления буронабивные конические сваи получаются хорошего качества. По сравнению с цилиндрическими сваями той же длины и сопоставимого диаметра такие сваи более экономичны за счёт снижения расхода материала при одинаковых затратах времени на их изготовление.
Предлагаемая конструкция свай эффективна только как для «висячих» свай при минимальных выдёргивающих нагрузках. Указанная особенность применения таких свай объясняется тем, что их несущая способность определяется главным образом сопротивлением грунта по боковой поверхности за счёт расклинивающего эффекта. Наиболее рациональны буронабивные конические сваи в составе фундаментов сельскохозяйственных и некоторых промышленных сооружений производственного и вспомогательного назначений при нагрузке на фундамент до 1 250 кН, а также жилых и общественных зданий при распределённой нагрузке до 125 кН/м.
1. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Разра-ботка конструкций буронабивных конических свай // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 2. С. 68-72.
2. ГОСТ 5686-2012. Грунты. Методы по-левых испытаний сваями.
3. СП 24.13330.2011. Свайные фунда-менты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85.
4. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
