сотрудник
Краснодарский край, Россия
сотрудник с 01.01.2006 по 01.01.2019
Новороссийск, Краснодарский край, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ТБК 50 Технические науки в целом
Исследовались четыре буронабивные сваи двух типоразмеров длиной 4,5 м, диаметром голов 0,4 и 0,6 м, диаметром нижнего торца 0,2 м с углом конусности 1о20ʹ и 2о40ʹ соответственно. Две разнотипных сваи были оснащены по высоте четырьмя тензодинамометра, и две – десятью мессдозами по пять с каждой из диагональных противоположных сторон. Грунты на экспериментальном полигоне сложены твёрдой супесью. По данным измерений тензодинамометров и мессдоз строились эпюры распределения усилий и напряжений в сечениях по стволу свай, а также эпюры контактных напряжений по их боковой поверхности. Результаты исследований позволили выявить, что в несущей способности буронабивных конических свай в значительной мере участвуют дополнительные силы отпора грунта по наклонной боковой поверхности при её осадке под нагрузкой. Доля отпора грунта, в зависимости от угла конусности, составляет 34-50 % от общей несущей способности, сопротивление нижнего торца – 17-23 %, трения по боковой поверхности ствола – 34- 43 %. Эти данные указывают на эффективность придания стволам буронабивных свай длиной до 5 м даже незначительной конусности в пределах 1,5о… 3,0 о.
буронабивная свая, конусность сваи, несущая способность, мессдоза, тензодинамометр, отпор грунта, эпюра усилий, эпюра напряжений.
Введение. По сравнению с забивными сваями у цилиндрических буронабивных свай аналогичных размеров несущая способность обычно меньше из-за отсутствия уплотнённого слоя грунта вдоль боковой поверхности и под остриём (нижним торцом). Поэтому практически все усовершенствования конструкций буронабивных свай касаются устранения этого недостатка за счёт придания боковой поверхности шероховатости, волнистости, утолщений и/или устройства под нижним торцом уширений или уплотнений. Так ещё в 1927 году проф. Дмоховский В.К. [1] отмечал принцип устройства усовершенствованных свай Компрессоля (1900 г.) и Франкиньоля (1909 г.) путём тампонирования бетона в скважине, что позволяло вдавливать бетонную смесь в основание, а также стенки скважин и тем самым получать по высоте переменный диаметр конструкции. К этому же типу по технологии устройства относятся частотрамбованные сваи [2]. Известны буронабивные сваи Франки с гофрированной поверхностью ствола [3, 4].
Инженеры А.Э. Страус и Е.П. Хлебников разработали конструкции свай с неровностями по стволу и уширенной пятой [5]. Уширения стволу сваи в нижнем торце придаются камуфлетным взрывом [6], статическим вдавливанием лучевидного уширителя [7], раскатыванием роликами [8] или резанием грунта [9]. К современным разработкам повышения несущей способности буронабивных свай можно отнести буроинъекционные (корневидные сваи) [10, 11], с вибровтрамбовыванием в основании сваи щебня [12], а также сваи с термохимическим уширением в основании [13], сваи РИТ с применением разрядно-импульсной [14] и электроразрядной технологий [15] для получения многоместных уширений по стволу.
К сваям повышенной несущей способности относятся набивные конической формы, изготавливаемые в пробитых лидером скважинах [16, 17]. Логично было изменить цилиндрическую форму на коническую и для буронабивных свай. В этом случае по наклонной боковой поверхности кроме сил трения появляется дополнительный нормальный отпор грунта при вертикальной нагрузке. С целью проверки наличия такого эффекта у буронабивных конических свай при их нагружении разработаны три типоразмера таких свай [18]. Диаметры голов свай были приняты
dг = 0,4; 0,5; 0,6 м. Минимальный диаметр у острия для всех свай был принят dо= 0,2 м. При длине свай 4,5 м и принятых параметрах сечений конусность свай составила соответственно α = 1о… 2,5о. Буквенные обозначения свай были приняты по их наименованию – БКС (буронабивные конические сваи). Цифровые обозначения свай приняты по их длине в м, диаметру головы и нижнего торца у острия в сантиметрах, например, – БКС- 4,5-40/20 (длина сваи 4,5 м, голова 40 см, нижний торец у острия 20 см).
Методы и конструкции. С целью изучения взаимодействия буронабивных конических свай заданных параметров с грунтом основания были проведены модельные [18] и натурные [19]. испытания на действие различных видов нагрузок, которые показали их эффективность. Дополнительно на экспериментальном полигоне [19] проведены исследования по распределению усилий по длине ствола и по боковой поверхности свай при статических вдавливающих нагрузках.
Известен ряд конструкций применяемых приборов и оборудования для измерений и деформаций конструкций в грунтах [20], но оптимальными для исследований конкретно буронабивных конических свай являются тензодинамометры, устройство которых приведено в работе [21] и мессдозы конструкции ЦНИИСК [22]. Поэтому предпочтение было отдано тензометрическому методу исследований, как одному из наиболее точных и надёжных [23].
Исследования проводились на четырёх буронабивных конических сваях, оснащённых тензометрическим оборудованием. В сваях БКС- 4,5-40/20 с углом конусности α = 1о20ʹ и БКС-4,5-60/20 с углом конусности α = 2о40ʹ были установлены по четыре тензодинамометра. В таких же сваях БКС-4,5-40/20 и БКС-4,5-60/20 – по десять мессдоз (по пять с каждой из диагонально противоположных сторон по высоте). Грунт основания исследуемых свай на экспериментальном полигоне однородный – твёрдая супесь с объёмной массой ρ = 1,82 т/м3, углом внутреннего трения
φ = 22о и модулем деформации Е = 18 МПа.
В статье приводятся результаты полевых испытаний натурных буронабивных конических свай БКС-4,5-40/20 и БКС-4,5-60/20, оснащённых тензометрическим оборудованием, на действие вертикальной вдавливающей нагрузки по ГОСТ 5686-2012. Несущая способность свай определялась по графикам зависимости «нагрузка-осадка» согласно СП 24.13330.2011 и СП 22.13330.2011. После каждой ступени нагружения свай снимались показания мессдоз, а также тензодинамометров, и по ним строились эпюры распределения усилий в сечениях по стволу и контактных напряжений по боковой поверхности свай.
Основная часть. Эпюры распределения усилий Fi в сечениях буронабивных конических свай, полученные по показаниям тензодинамометров, приведены на рис. 1, рис. 2. Очертание эпюр распределения усилий – криволинейное. Как видно из рисунков, основная нагрузка воспринималась верхними расширенными частями свай и уменьшалась по стволу сверху вниз. Торец у острия сваи БКС-4,5-40/20 вступал в работу сразу же при первой ступени нагрузки 12,5 кН, его сопротивление составляло 29 % от нагрузки. При дальнейшем нагружении сваи доля сопротивления торца у острия уменьшалась до 22 % при нагрузке 125 кН, и затем вновь возрастала до 24,5 % при нагрузке 200 кН.
Рис. 1. Эпюры распределения усилий Fi в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-40/20, оснащённой
тензодинамометрами, при различных
ступенях нагружения
Рис. 2. Эпюры распределения усилия Fi
в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-60/20,
оснащённой тензодинамометрами, при различных ступенях нагружения
У сваи БКС-4,5-60/20 нижний торец у острия вступал в работу лишь после приложения второй ступени нагружения в 100 кН, достигая сопротивления при этом 12 % от величины ступени. Затем сопротивление постепенно нарастало до
19 % при ступенях нагружения до 500 кН и оставалось практически неизменным в пределах
18… 19 % при нагрузках 600…800 кН.
Эпюры распределения нормальных напряжений Ϭi в сечениях сваи БКС-4,5-40/20 приведены на рис. 3, а сваи С-4,5-60/20 – на рис 4. Значения для построения эпюр распределения напряжения в сечениях сваи Ϭi вычислялись по формуле
, (1)
где Fi – нагрузка в i-ом сечении сваи с тензодинамометром при определённой ступени нагружения, кН; ri – радиус рассматриваемого сечения сваи, м.
Рис. 3. Эпюры распределения нормального напряжения Ϭi в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-40/20,
оснащённой тензодинамометрами, при различных ступенях нагружения
Рис. 4. Эпюры распределения нормального напряжения Ϭi в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-60/20,
оснащённой тензодинамометрами, при различных ступенях нагружения
У сваи БКС-4,5-40/20 нормальное напряжение по длине стола в целом распределялось равномерно, несколько уменьшаясь к острию (рис. 3). Максимальное значение Ϭi = 1,622 МПа достигалось на глубине 1 м и 3 м на последней приложенной ступени нагрузки в 200 кН. У сваи БКС-4,5–60/20 наоборот, напряжение у острия постоянно увеличивалось (рис. 4), достигая наибольшей величины Ϭi = 4,320 МПа при ступени нагрузки в 800 кН.
Эпюры нормального отпора грунта fiотп по наклонной боковой поверхности свай, построенные по данным измерений напряжений мессдозами, приведены на рис. 5 б, 6 б. Удельные силы трения fi по стволу сваи (рис. 5 в, 6 в) вычислялись по формуле
, (2)
где Fi , Fi+1 – показания тензодинамометра (продольные силы) в участках торцов ствола сваи, кН; di , di+1 – диметры торцов участков ствола сваи, м; li – длина образующей конусного участка ствола сваи между сечениями с тензодинамометрами, м; fiотп – показания мессдоз на соответствующей глубине (в середине каждого рассматриваемого участка), МПа.
Суммарное напряжение на боковой поверхности конической сваи (fi + fiотп) равнялось сумме эпюр нормальных и касательных составляющих сил сопротивления (рис. 5 а, рис. 6 а).
Анализируя результаты полученных измерений, можно отметить, что в верхней части сваи силы отпора f отп проявились сразу же на первых ступенях нагружения. По мере увеличения нагрузки максимальные значения сил отпора снижались. В нижней части сваи силы отпора, имея малую величину на начальной стадии нагружения, с ростом нагрузки и при осадке сваи на 20-25 мм увеличивались, достигая своего максимума на последней ступени нагружения. Для сваи БКС-4,5-40/20 максимальное значение f отп = 0,025 МПа, а для сваи БКС-4,5-60/20 оно равно
f отп = 0,109 МПа (рис. 5 б, рис. 6 б). Резкое увеличение сил отпора в нижней части сваи можно объяснить выпором грунта из-под её острия.
Характер эпюр касательных напряжений несколько отличается от характера эпюр нормальных напряжений. На первых ступенях касательные напряжения fi также проявлялись в основном в верхней части свай. Затем трансформировались и становились практическими постоянными по всей длине ствола, немного увеличиваясь у острия. У сваи БКС-4,5-40/20 удельные силы трения при осадке сваи на 24 мм составили 0,028 МПа, у сваи БКС-4,5-60/20 соответственно 0,045 МПа (рис. 5 в, рис. 6 в) Отсюда можно сделать вывод, что у конических буронабивных свай силы трения по боковой поверхности зависят от величины обжатия грунта (уплотнения), окружающего сваю, при осадке сваи. Чем больше угол конусности у сваи, тем значительнее проявляются силы трения по боковой поверхности.
Суммарные эпюры напряжений на контакте «свая-грунт» близки по виду к эпюрам нормальных напряжений, то есть в формировании сопротивления свай по боковой поверхности превалирующая роль отводится нормальным силам отпора грунта. Естественно, что числовые значения распределения усилий в сечении сваи, отпора и сил трения по боковой поверхности сваи БКС-4,5-50/20 займут место в интервале между выявленными значениями этих величин для свай БКС-4,5-40/20 и БКС-4,5-60/20.
Результаты исследований показали, что несущая способность свай Fобщ на последних ступенях нагружения в основном определяется отпором грунта по наклонной боковой поверхности Fотп (табл. 1). Соотношение между сопротивлением грунта по боковой поверхности и у острия конической сваи при различных ступенях нагружения можно проследить на совмещённых графиках. В начальной стадии нагружения сваи БКС-4,5-40/20 до нагрузки в 100 кН отмечалось интенсивное увеличение сил трения по боковой поверхности (рис. 7, кривые 5, 7). С увеличением нагрузки несущая способность за счёт сил трения и сцепления исчерпывалась при осадке сваи на 15–20 мм.
В то же время возрастал отпор грунта, на который при нагрузке в 100 кН приходилось 24 %, и в 150 кН – 30 % от общей нагрузки (рис. 7 кривые 4, 8). Сопротивление у острия на всех этапах нагружения можно принять возрастающим прямо пропорционально нагрузке, оно не превышает 30 % (рис. 7 кривые 3, 6). Характерно, что силы трения по боковой поверхности (рис. 7 кривая 5) резко отличаются от сопротивления выдёргивающей нагрузке (рис. 7 кривая 2), то есть кривая 2 характеризует не силу трения при выдёргивании, а усилия отрыва сваи от грунта.
У сваи БКС-4,5-60/20 на первых ступенях нагрузки (100-200 кН) превалирующее значение имели также силы трения по боковой поверхности (рис. 8, кривые 5, 7). При ступени в 50 кН вся нагрузка воспринималась только боковой поверхностью, так как осадка составляла лишь 0,2 мм при которой нижний конец у острия в работу ещё не включился. При нагрузке в 200 кН основная роль уже отводилась силам отпора. Так при нагрузках в 400, 600, 800 кН на силы отпора приходилось 37, 51, 57 % от них соответственно. Нижний конец сваи у острия при различных ступенях нагружения воспринимал 17–25 % от нагрузки, то есть несколько меньше, чем у сваи БКС-4,5-40/20.
Сопротивление трению резко уменьшалось при осадке сваи БКС-4,5-60/20 на 10–15 мм, однако оно полностью не мобилизовывалось и продолжало незначительно увеличиваться и при осадках на 20...24 мм. Это явление вполне закономерно и его можно объяснить тем, что мобилизация сил трения у конических свай происходит в условиях постоянно увеличивающегося нормального напряжения. Поэтому силы трения растут даже при проскальзывании сваи относительно грунта основания. У сваи БКС-4,5-40/20 это явление менее заметно, так как она имеет небольшой угол конусности.
Рис. 5. Эпюры контактных напряжений на боковой поверхности сваи БКС-4,5-40/20, оснащённой
мессдозами, при различных ступенях нагружения: а – суммарное напряжение; б – нормальный отпор грунта fiотп; в – касательное напряжение fi от сил трения
Рис. 6. Эпюры контактных напряжений на боковой поверхности сваи БКС-4,5-60/20, оснащённой мессдозами, при различных ступенях нагружения: а – суммарное напряжение; б – нормальный отпор грунта fiотп;
в – касательное напряжение fi от сил трения
Таблица 1
Сопротивление буронабивных конических свай в зависимости от их осадки
|
Нагрузка на сваю Fобщ, кН |
Осадка сваи S, мм |
Сопротивление, кН |
Fотп / Fобщ |
||
|
Fостр |
Fтрен |
Fотп |
|||
|
Свая БКС-4,5-50/20 |
|||||
|
12,5 |
0,96 |
5 |
7 |
0,5 |
0,05 |
|
25 |
1,94 |
7 |
16 |
2 |
0,08 |
|
50 |
3,13 |
14 |
29 |
7 |
0,14 |
|
75 |
6,50 |
19 |
41 |
15 |
0,20 |
|
100 |
7,48 |
24 |
52 |
24 |
0,24 |
|
125 |
10,11 |
28 |
60 |
37 |
0,30 |
|
150 |
19,72 |
34 |
63 |
53 |
0,35 |
|
175 |
26,47 |
40 |
65 |
70 |
0,4 |
|
200 |
39,05 |
49 |
68 |
83 |
0,42 |
|
225 |
51,33 |
57 |
70 |
98 |
0,44 |
|
250 |
75,88 |
67 |
71 |
112 |
0,45 |
|
Свая БКС-4,5-60/20 |
|||||
|
50 |
0,41 |
- |
40 |
5 |
0,1 |
|
100 |
0,95 |
25 |
62 |
13 |
0,13 |
|
200 |
3,08 |
47 |
112 |
41 |
0,21 |
|
300 |
6,20 |
62 |
156 |
82 |
0,27 |
|
400 |
10,41 |
75 |
175 |
150 |
0,38 |
|
500 |
16,50 |
86 |
190 |
224 |
0,45 |
|
600 |
25,26 |
103 |
193 |
304 |
0,51 |
|
700 |
40,03 |
122 |
203 |
375 |
0,54 |
|
800 |
62,59 |
146 |
206 |
448 |
0,56 |
|
900 |
108,20 |
154 |
208 |
538 |
0,60 |
Данные о распределении общего сопротивления исследуемых буронабивных конических свай на составляющие при осадке на 24 мм сведенцы в табл. 2. Несущая способность принята осреднённой для каждой из двух исследованных типоразмеров свай. Приведенные данные показывают, что у сваи БКС-4,5-40/20 доля острия в общей несущей способности составляет 23 %, трения – 43 %, отпора – 34 %. У сваи БКС-4,5-60/20 распределение несколько иное – на острие приходится – 17 %, трение – 34 %, отпор – 49 %.
Таблица 2
Результаты разделения сопротивления сваи при вдавливающей нагрузке на составляющие
по боковой поверхности ствола и под нижним торцом (остриём)
|
Марка сваи |
Сопротивление сваи, кН |
Fостр/ Fобщ |
Fтрен/ Fобщ |
Fотп/Fобщ |
|||
|
Fобщ |
Fостр |
Fтрен |
Fотп |
||||
|
БКС-4,5-40/20 |
183 |
45 |
76 |
62 |
0,23 |
0,43 |
34 |
|
БКС-4,5-60/20 |
570 |
98 |
192 |
280 |
0,17 |
0,34 |
0,49 |
Рис. 7. Результаты исследований работы сваи БКС-4,5-40/20 при различных ступенях нагружения.
График зависимостей: 1 – нагрузка – осадка сваи; 2 – нагрузка-выход сваи из грунта; 3 – осадка-сопротивление острия; 4 – осадка-отпор грунта; 5 – осадка-трение по стволу; 6 – нагрузка-сопротивление под остриём;
7 – нагрузка-сопротивление трения; 8 – нагрузка-сопротивление отпора.
Рис. 8. Результаты исследований работы сваи БКС-4,5-60/20 при различных ступенях нагружения.
График зависимостей: 1 – нагрузка – осадка сваи; 2 – нагрузка-выход сваи из грунта; 3 – осадка-сопротивление острия; 4 – осадка-отпор грунта; 5 – осадка-трение по стволу; 6 – нагрузка-сопротивление под остриём;
7 – нагрузка-сопротивление трения; 8 – нагрузка-сопротивление отпора
Выводы:
- Проведенные тензометрические исследования работы натурных буронабивных конических свай позволили выявить, что в их несущей способности в значительной мере участвуют дополнительные силы нормального отпора грунта по наклонной боковой поверхности при её осадке под нагрузкой. Доля отпора грунта, в зависимости от угла конусности, составляет 34–49 % от общей несущей способности, сопротивление у острия – 17–23 %, трения по боковой поверхности ствола – 34–43 %. Этот вывод указывает на эффективность придания стволам буронабивных свай длиной до 5 м даже незначительной конусности в пределах 1,5о… 3,0 о.
- Полученные результаты могут быть использованы для разработки методики расчёта несущей способности буронабивных конических свай, а также дают основания на дальнейшее продолжение исследований работы рассматриваемой конструкции в составе ленточных свайных фундаментов и фундаментов из кустов свай.
1. Дмоховский В.К. Курс оснований и фундаментов. Учебное пособие. М-Л.: Государственное издательство, 1927. 357 с.
2. Соколов Н.М. Руководство по изготовлению набивных частотрамбованных свай. М.: Госстройиздат, 1956. 48 с.
3. Дорошкевич Н.М., Клейн Г.К., Смиренкин П.П. Основания и фундаменты. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1972. 256 с.
4. Веселов В.А. Проектирование оснований и фундаментов. Учебное пособие. М.: Стройиздат, 1978. 215 с.
5. Денисов О.Г. Основания и фундаменты промышленных и гражданских зданий. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1968. 375 с.
6. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1981. 319 с.
7. Тетиор А.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для Урала и Тюменской области. Сверждловск: Средне-Уральское книжное издательство, 1971. 197 с.
8. Мангушев Р.А, Ершов А.В., Осокин А.И. Современные свайные технологии. Учебное пособие. М.: Изд-во АСВ, 2010. 240 с.
9. Гнатюк В.И., Филппов К.Г. Влияние уширений ствола буронабивных свай на повышение их удельной несущей способности. Тезисы докладов научно-практической конференции «Прогрессивные конструкции фундаментов и методы производства работ по их устройству. Оренбург: Изд-во «Южный Урал», 1986. С. 51-53.
10. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Стройиздат, 1988. 287 с.
11. Рекомендации по применению буроинъекционных свай. М.: Изд-во НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 1984. 52 с.
12. Отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.2.016-2011. Методические рекомендации по проектированию и устройству буронабивных свай повышенной несущей способности по грунту. М.: Изд-во Росавтодор, 1993. 49 с.
13. Глушков А.В., Хинкалин Л.А., Соколов Н.С., Глушков И.В., Сергеев С.А. Исследование работы буронабивных свай с термохимическим уширением в основании // Современные наукоёмких технологии, 2018. № 6. С. 55-61.
14. Технические рекомендации ТР 50-180-06. Проектирование и устройство свайных фундаментов, выполняемых по разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности (сваи РИТ). М.: Изд-во НИИМосстрой, 2006. 54 с.
15. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъеционных свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28-32.
16. Моисеев Ю.Н. Выбор рациональных технологических схем устройства набивных конических свай в выштампованном ложе // Тезисы докладов областной научно-практической конференции «Эффективные конструкции фундаментов для промышленного и гражданского строительства в грунтовых условиях Оренбургской области. Оренбург: Изд-во «Южный Урал», 1984. С. 12-13.
17. Бойко Н.В., Кадыров А.С., Харченко В.В., Щелконогов В.Н. Технология, организация и комплексная механизация свайных работ. М.: Стройиздат, 1985. 303 с.
18. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Разработка конструкций буронабивных конических свай // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2017.№ 2. С. 68-72.
19. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Анализ результатов натурных испытаний буронабивных конических свай на действие различных видов нагрузок // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2018. № 8 . С. 48-54.
20. Голли А.В. Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах. Учебное пособие. Л.: Изд-во ЛИСИ, 1984. 53 с.
21. Фремке А.В. Электрические измерения. М.: Энергия, 1973. 424 с.
22. Баранов Д.С. Руководство по применению прямого метода измерения давлений в сыпучих средах и грунтах. М.: Изд-во ЦНИИСК, 1965. 147 с.
23. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Методика подготовки тензометрических исследований работы буронабивных конических свай // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова, 2019. № 2. С. 55-61.
