CC BY
48
Технология и организация строительного производства
УДК 624.131 DOI: 10.14529/ЬШМ160103
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ ВЗРЫВОФУГАСНЫХ СВАЙ
Л.М. Борозенец
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
Рассмотрены данные комплексного исследования несущей способности основания по боковой поверхности ствола взрывофугасной сваи, и кроме того, сваи с грунтоуплотненным конусом; выявлены особенности взаимодействия бетонной смеси в процессе укладки и твердения ее в скважине, а также бетонного ствола сваи под нагрузкой с окружающим сваю взрывофугас-но-грунтоуплотненным основанием; представлен метод расчета несущей способности боковой поверхности ствола взрывофугасной сваи и определения несущей способности сваи с грунто-уплотненным круговым конусом.
Ключевые слова: основание, несущая способность, взрывофугасная свая, ствол, боковая поверхность, конус, нижний конец, грунтовытеснение, грунтоуплотнение, грунт, мессдоза, нагрузка.
Введение
Конструкции свай, изготовленных в грунто-вытесненных управляемым действием энергии продуктов взрыва и скважинообразователем скважинах относятся к взрывофугасным [1]. Грунт из объема скважины вытесняется полностью в стороны грунтового массива с одновременным формированием грунтоуплотненного основания сваи. Взрывофугасные сваи являются новым видом свай, поэтому не обеспечены достаточным объективным научным обоснованием. Поэтому создание объективного научного обоснования расчетного исследования и разработка методологий достоверного определения несущей способности оснований взрывофугасных свай являются актуальной проблемой и задачей настоящего исследования. Целью исследования является разработка методики инженерных расчетов несущей способности только боковой поверхности ствола сваи и боковой поверхности ствола сваи с грунтоуплотненным конусом. Экспериментальные исследования проводились на площадке с грунтовыми условиями, представленными мощным слоем элювиальных суглинков полутвердой консистенции. Испытыва-лись в полевых условиях опытные взрывофугасные сваи В-9 длиной 2,8 м и В-2 длиной 3,24 м, диаметром 216 мм [2].Для выключения из работы нижнего конца сваи В-9 под ним предусматривалась полость. После тщательного замера глубины скважины в ней на стержень опускался жестко фиксируемый металлический диск диаметром 210 мм, поверх которого закреплялась резиновая диафрагма диаметром 240 мм. Такая конструкция исключала попадание бетонной смеси в полость под
нижним концом сваи.Радиальное давление по контуру сваи при ее изготовлении и загружении измерялось с помощью тензорезисторных преобразователей давлений типа ПДП-70/П конструкции ЦНИИСК, тарировка которых выполнялась дважды - до установки в скважины и после откопки сваи по окончании испытаний. Фиксация по высоте и обеспечение контакта мессдоз с грунтом осуществлялась специальными приспособлениями, устанавливаемыми в штрабах, выполненных на противоположных сторонах скважин по длине свай путем срезки части грунта со стенок шаблоном в виде кольца с ножами. Установка мессдоз выполнялась в кондукторах, состоящих из металлических пластин - держателя и упора, соединенных между собой стержнями на шарнирах. Мес-сдозы были установлены на глубинах 1 м; 1,8 м; 2,6 м. Скважина после ее подготовки заполнялась свободным сбросом бетонной смеси с осадкой конуса 14 см. Статические испытания свай выполнялись по ГОСТ 5686-78* гидравлическим домкратом с упором в грузовую платформу, с построением графиков зависимости осадок от нагрузок взрывофугасных свай.
Давление грунта на боковую поверхность
ствола взрывофугасной сваи
В качестве опытной сваи рассматривается взрывофугасная свая В-9. Схема сваи показана на рис. 1. Давления, наблюдаемые по мессдозам, сразу же после укладки бетонной смеси составили соответственно по глубинам измерения 18,7 кПа, 18,4 кПа, 18,2 кПа. После этого в течение одного часа давление снижалось и выравнялось соответ-
ственно до 11,5 кПа, 12,4 кПа и 12,1 кПа. Это давление вызывается распором, в первом случае -свежеуложенной бетонной смеси на стенки скважины; во втором случае - удельным давлением скелета инертного заполнителя после оттока воды на процесс гидратации и гелеобразования.
Ц,
А-А
ФЖ_ Ф216
■4
Рис. 1. Схема взрывофугасной сваи В-9: 1, 2, 3 - слои грунтов; М1, М2, М3 - мессдозы; 0216 мм - диаметр поперечного сечения железобетонного ствола сваи; 0224 мм - диаметр грунтоомо-ноличенного ствола сваи; 4 - полость; 5 - свая; 6 - грунтоомоноличеный слой ствола сваи
В течение первых суток, начиная после второго часа, наблюдается рост давлений 20,2 кПа, 14,5 кПа, 12,1 кПа. В дальнейшем рост давления продолжался и на шестые и на восьмые сутки значение составляло 33,1 кПа, 22,0 кПа, 18,2 кПа за счет набухания бетона при твердении. На 18-е сутки давление на глубине одного метра возрастает до 34,6 кПа, на глубине 1,8 м снижается до 15,5 кПа, на глубине 2,6 м снижается до нуля за счет усадки бетона при твердении. По графикам изменения давления при твердении бетона (рис. 2, а-в) можно заключить, что с первых и до восьмых суток бетонная смесь набухает, после шестых и восьмых суток бетон начинает усадку. При этом грунт в верхней мессдозе передает давление структурного сцепления полностью, в средней мессдозе грунт разрывает свое взаимодействие с бетоном и давление на сваю не передается за счет «кольцевого эффекта» обжатия уплотненного грунта. Спустя несколько суток твердения бетона в грунте протекают реологические и релаксационные процессы в результате увлажнения его от бетонной смеси и он, деформируясь, восстанавливает взаимодействие по всему стволу силой структурного сцепления. Поэтому при взятии показателей давления перед нагружением сваи все мессдозы показали значения удельного сцепления грунта естественного состояния: первая - 34,6 кПа, вторая - 27,9 кПа, третья - 24,2 кПа. Изменение давления (рис. 2, г, д) наблюдается на первой глубине при нагружении от 25 кН до 35 кН от 34,6 кПа до 46,1 кПа, на третьей глубине при нагружении от 60 кН до 75 кН от 24,2 кПа до 36,3 кПа.
т т 1 /// ///
® ^ 1 М1
Л А1 =о
М2
<э - %
МЗ
(3) Г
Г"
2 4 6 в Ю 12 14 16 < сут
О 2 4 6 8 Ю 12 14 16 /.с.
о го 73 $о во ш 120 нм
Рис. 2. Графики взаимного давления бетонной смеси и грунта по контактной боковой поверхности взрывофугасной сваи В-9: а - на глубине 1,0 м; б -1,8 м; в - 2,6 м - и изменения давления: г - на глубине 1,0 м; д - 2,6 м
Технология и организация строительного производства
При критической нагрузке первая мессдоза показала давление 46,1 кПа, вторая - 40,7 кПа, третья - 36,3 кПа. Указанное каждой мессдозой давление представляет собой сумму удельного давления скелета инертных заполнителей через один час после укладки бетонной смеси и давлений перед началом нагружения сваи, т. е. можно считать, что давление при критической нагрузке равняется сумме давления свежеуложенной бетонной смеси через один час после укладки ее в скважину и удельного сцепления грунта естественного состояния. Произведенная откопка опытной сваи после испытаний подтвердила, что в работе участвовала только боковая поверхность ствола сваи, так как под ее нижним концом сохранялся зазор, устроенный при выполнении сваи.
Метод расчета несущей способности
боковой поверхности ствола
взрывофугасной сваи
Для расчетного определения несущей способности боковых поверхностей взрывофугасной сваи В-9 выбираются уравнения состояний предельных равновесий, в состав которых входят значения предельных сопротивлений грунта по боковым поверхностям при критической нагрузке. Критическая нагрузка на сваю определена экспериментально и составила для взрывофугасной В-9 N = 116 кН при предельной осадке = 4,3 мм (рис. 3).
Грунты - глины и суглинки, макропористые I типа просадочности, следующей литологии:
1-й слой: Н1 = 1,5 м; с1 = 34,6 кПа; ф1 = 23°;
е1 = 0,93; у1 = 17 кН/м3;уЛ = 14,4 кН/м3 .
2-й слой: к2 = 1,0 м ; с2 = 27,9 кПа; ф2 = 22°; е2 = 0,78; у2 = 18,5 кН/м3; уа2 = 15,2 кН/м3.
3-й слой: hз = 0,64 м; с3 = 24,2 кПа;ф3 = 21°; е3 = 0,79; у3 = 18,8 кН/м3; уаз = 15,3 кН/м3 .
Схема взрывофугасной сваи В-9 показана на рис. 1. Периметр сложного поперечного сечения ствола сваи и = 712 мм. Приведенный радиус ствола сваи R = и / = 114 мм . Нагрузки на основание сваи: от массы сваи Ыа =л-R2lу5 = 2,82кН; от массы домкрата Ыа = 0,5 кН ; дополнительная внешняя нагрузка М0 = 116 кН .
Общая нагрузка на основание сваи N = N0 + Ыс + Ыа = 119,3 кН.
Несущая способность по расчету:
1-го слоя. Fd1 = А1 (Аст^ 1 + с1 + Астуб 1) = 60,5 кН .
А1 = НЦи = 1,0 м2. Астуб1 = 11,5 кПа.
2-го сл°я. 2 = А2(Аст^.2 + С2 + Астуб.2) = 31,8 кН. А2 = к2и = 0,5 м2. Астуб 2 = 12,4 кПа
3 -го слоя. 3 = А3 (Аст^ 3 + с3 + Астуб 3) = 22,1 кН.
А3 = Н3и = 0,43 м2. Астуб.3 = 12,1 кПа.
Общая несущая способность
Fd = Fd1 + Fd2 + Fd3 = 114,5 кН, что меньше общей нагрузки на основание сваи N = 119,3 кН на 4 %, т. е. результат исследования получился с повышенным расхождением. Расхождение значений эксперимента и расчета указывает на то, что приведенный радиус поперечного сечения ствола сваи следует учитывать с увеличением его значения за счет присоединенного к боковой поверхности некоторого слоя омоноличенного максимально уплотненного грунта. Увеличение значения радиуса омоноличенного грунта, при котором происходит его сдвиг, определяется следующим расчетом [3]:
N = 119,3 кН; Fd = 114,5 кН ; А, = А1 + А2 + А3 = 1,0 + 0,57 + 0,43 = 2,0 м2 . Из пропорции А, / Fd = А / N, А = АiN / ^ = = 2, 084 м2 . Увеличенный периметр за счет омоно-личенного грунта и = А / к = 0,744 м . Радиус увеличенного сечения R = и /2гс = 0,118 м. Увеличенное значение радиуса АЯ = Я - Я1 = 0,004 м = 4 мм .
Проверка. Несущая способность:
1-го слоя. ¥л = А СТ! + с1 + Астуб 1) = 63,02 кН.
А1 = к1и = 1,042 м2.
2-го слоя. Fd2 = А2^.2 + С2 +Асту6.2) = 33,03 кН.
А2 = к2и = 0,595 м2.
3 -го слоя. ^3 = A3(стd 3 + с3 + Астуб 3) = 22,92 кН .
А3 = к3и = 0,446 м2.
Общая несущая способность Fd = Fd1 + Fd2 + + Fd3 = 118,97 кН. Условие N = 119,3 кН и и Fd = 118,97 кН удовлетворяется полностью.
Следовательно, на боковую поверхность сваи В-9 действуют боковое удельное давление скелета грунта, давление удельного сцепления грунта и боковое удельное давление скелета инертных заполнителей бетона, замеренных через один час после укладки бетонной смеси в скважину. Суммарные значения боковых удельных давлений скелета инертных заполнителей бетона и давлений удельного сцепления грунта получены замерами при критической нагрузке на сваю. Таким образом, исследованиями установлена необходимость увеличения диаметров поперечных сечений стволов набивных свай на 8...10 мм за счет прочного присоединения слоя омоноличенного грунта к их боковым поверхностям.
Предельная нелинейная сдвиговая деформация грунта по боковой поверхности цилиндрического ствола взрывофугасной сваи
На основании сделанного вывода о том, что на боковые поверхности стволов буровых свай действуют давления упругости грунтов, принимается положение о характере происхождения предельной нелинейной сдвиговой деформации грунта, действующей по боковым поверхностям свай, как нелинейных упругих объемно-сдвиговых [4]. С использованием результатов исследований находится значение коэффициента пропорциональности нелинейной упругой объемной деформации грунта
как отношение величины осадки Sen = 22,9 мм к полной осадке штампа £к = 75 мм. Ке = Sen / Sк = 0,3. Нелинейная упругая объемно-сдвиговая деформация основания набивной взрывофугасной сваи В-9 по данным значений полных осадок сваи В-1 по графику на рис. 3 S = 16 мм получится Sе = КеS = 4,8 мм, что полностью соответствует значению осадки набивной взрывофугасной сваи В-9 по графику полевых испытаний S = 4,8 мм (см. рис. 3). Отсюда следует вывод о том, что по боковым поверхностям взрывофугасных свай действуют исключительно нелинейные упругие объемно-сдвиговые деформации.
Метод расчета несущей способности взрывофугасной сваи с грунтоуплотненным конусом
Настоящие исследования проводятся с целью установления влияния вытеснения грунтов на формирование давлений по боковым поверхностям стволов и нижних концов свай в процессах нагружения их статическими осевыми вертикальными нагрузками [5]. Рассматривается опытная набивная взрывофугасная свая В-2. График испытания сваи построен на рис. 3.
Схема набивной взрывофугасной сваи В-2 показана на рис. 4. Форма уплотненного ядра принимается в виде кругового конуса с углом при вершине равным двум углам внутреннего трения
грунта ф и с основанием равным диаметру ствола сваи. Нагрузка на основание сваи: от массы ствола
сваи Nc = (п-R2lyц + П^~)Уб = 2,84 кН; от массы домкрата ^ = 0,5 кН; дополнительная внешняя нагрузка М0 = 160 кН. Всеобщая нагрузка на основание N = М0 + Мс + Ыа = 163,34 кН.
Несущая способность боковой поверхности сваи:
1-го слоя = A[(adl + с1 +стуб1) = 66,9 кН.
А1 = "и = 1,055 м2.
2-го слоя Fd 2 = 4(^.2 + С2 +^.2) = 41,0 кН.
А2 = "2и = 0,703 м2.
3-го слоя Рй3 = A3(ad3 + с3 +стуб3) = 19,3 кН.
А3 = "3и = 0,352 м2, где стубг- - удельное давление скелета бетонной смеси, равное удельному давлению скелета грунта.
Общая несущая способность боковой поверхности ствола
Fd,б.п = Рйх + ¥й 2 + ¥й 3 = 127,2 кН. Несущая способность острия нижнего конца сваи Рц,н.к = М - Fd,б.п = 36,1кН.
Площадь боковой поверхности острия сваи Аб п = А1 + А2 = 0,115 м2, где А! - площадь боковой поверхности усеченного конуса; А2 - то же полного кругового конуса. А1 = 0,5л11(£>0 + Д) = 0,080 м2 .
А2 =пО]1 /2 = 0,0346 м2. Удельное сопротивление сдвигу по боковой поверхности острия сваи
=^5 = Fd^/ Аб.п = 313,91 кПа .
Рис. 4. Схема набивной взрывофугасной сваи В-2: 1, 2, 3 - слои грунтов; 4 - свая; 5 - грунтоомоноличен-ный слой ствола сваи
Технология и организация строительного производства
Выбор уравнения состояния предельного равновесия грунта при вытеснении острием нижнего конца сваи СТ5 = 15 = (с + Cтd )Е tg 9,-к = 315,3 кПа . Разность значений между опытными напряжениями СТ5 =15 = 313,9кПа и расчетными СТ5 =15 = 315,3кПа получается вполне приемлемой.
Таким образом, в расчете учитывается толщина слоя омоноличенного грунта вокруг боковых поверхностей ствола и острия набивной взрывофу-гасной сваи В-2, равного разности радиусов 112 мм и 108 мм, что совпадает с данными расчетного исследования сваи В-9 только по боковой поверхности.
По боковой поверхности набивной взрывофу-гасной сваи В-9 по слоям соответственно действуют боковые удельные давления скелета инертных заполнителей бетона Астуб ^ = 11,5 кПа;
Астуб2 = 12,4кН; Аст^ = 12,1кПа, а по боковой
поверхности сваи В-2 (рис. 5) боковые удельные давления инертных заполнителей бетона достигают значений боковых удельных давлений скелета грунтов стуб.1 = 14,4кПа; ст^ = 15,2кН; стуб.3 = 15,3кПа
благодаря восходящему вверх потоку вытесняемого острием сваи грунта пластичного состояния, осуществляющего данное повышение напряжений по длине ствола сваи, показанного на рис. 5.
Следовательно, расчетным исследованием установлено повышение бокового удельного давления скелета инертных заполнителей бетона по бо-
Рис. 5. Схема восходящего вверх потока вытесняемого острием набивной взрывофугасной сваи В-2 грунта вдоль ее ствола: 1, 2, 3 - слои грунта; 4 - свая; 5 - направление восходящего потока вытесняемого грунта
ковой поверхности ствола сваи от силового влияния вытесняемого острием нижнего конца грунта, выпираемого вверх вдоль ствола сваи, как среды пластического состояния.
Выводы
1. Давление при критической нагрузке равняется сумме давления свежеуплотненной бетонной смеси через один час после укладки ее в скважину (создающего предварительное напряжение грунта) и удельного сцепления грунта естественного состояния.
2. На боковую поверхность взрывофугасной сваи действуют боковое удельное давление сухого скелета грунта, давление удельного сцепления грунта и давление предварительного напряжения от бокового удельного давления скелета инертных заполнителей бетона.
3. Установлена необходимость учета увеличения диаметров поперечных сечений стволов набивных свай на 8...10 мм за счет прочного присоединения слоя омоноличенного грунта к их боковым поверхностям.
4. По боковым поверхностям стволов взрыво-фугасных свай действуют только нелинейные упругие объемно-сдвиговые деформации.
5. Впервые исследована несущая способность основания взрывофугасной сваи с грунтоуплот-ненным конусом.
6. Произведен выбор уравнений предельных равновесий грунтов по боковой поверхности ствола и грунтоуплотненного конуса.
7. Создано объективное научное обоснование достоверной несущей способности оснований взрывофугасных свай и разработаны методологии инженерного определения их несущей способности, сравнимой по точности с результатами экспериментальных исследований.
Литература
1. Борозенец, Л.М. Устройство взрывонабив-ных свай в связных грунтах / Л.М. Борозенец // Инженерная геология, механика грунтов и фунда-ментостроение: сб. статей Межреспубликанской конференции Белорусской, Литовской, Латвийской и Эстонской ССР «Геотехника — V». — Минск, 1982. — С. 212-217.
2. Борозенец, Л.М. Повышение несущей способности оснований набивных свай взрывофугасным вытеснением грунтов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Л.М. Борозенец. — Пермь: ПГТУ, 1994. — 25 с.
3. Борозенец, Л.М. Метод расчета несущей способности основания взрывофугасной сваи / Л.М. Борозенец // Инф. листок ЦНТИ. — Владимир, 1992. — НТД № 92-56. — 4 с.
4. Борозенец, Л.М. Нелинейная механика вытеснения дисперсных грунтов в основаниях фундаментов / Л.М. Борозенец // Геотехника Беларуси: наука и практика: мат. Междунар. науч.-техн. конф. — Минск: БНТУ, 2013. — Ч. 1. — С. 183—194.
5. Борозенец, Л.М. Геотехника проектирования и устройства оснований взрывофугасных набивных свай: технические средства и геотехнологические результаты взрывофугасного грунтовытеснения
скважин / Л.М. Борозенец // Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. -СПб.: СПбГАСУ, 2014. - С. 160-167.
Борозенец Леонид Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Архитектурно-строительного института, Тольяттинский государственный университет (Тольятти), tsp@tltsu.ru
Поступила в редакцию 22 октября 2015 г.
DOI: 10.14529/build160103
COMPREHENSIVE ANALYSIS ON THE BEARING CAPACITY OF HIGH-EXPLOSIVE PILES
L.M. Borozenets, tsp@tltsu.ru
Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation
This article deals with the data of a comprehensive analysis on the bearing capacity over the lateral area of an explosive pile shaft and a shaft with a soil compacted cone. The features of interaction of concrete mixture during its placing and hardening in a well and the concrete pile shaft under load of the high-explosive and soil compacted foundation are revealed. The paper presents a methodology for calculation of the bearing capacity of the lateral area of a high-explosive pile shaftand the load capacity of a pile with a soil compacted circular cone.
Keywords:_ foundation, bearing capacity, high-explosive pile, shaft, lateral area, cone, pile tip, ground displacement, soil compaction, resistance, soil, pressure capsule, load.
References
1. Borozenets L.M. [The device explosion-filling piles in cohesive soils]. Inzhenernaya geologiya, mekhanika gruntov i fundamentostroenie: sb. statey Mezhrespublikanskoy konferentsii Belorusskoy, Litovskoy, Latviyskoy i Estonskoy SSR "Geotekhnika - V [Engineering Geology, soil mechanics and Foundation engineering: collected articles of inter-Republican conference of Byelorussian, Lithuanian, Latvian and Estonian SSR "Geotechnical engineering - V"]. Minsk, 1982, pp. 212-217. (in Russ.).
2. Borozenets L.M. Povyshenie nesushchey sposobnosti osnovaniy nabivnykh svay vzryvofugasnym vytesne-niem gruntov. Avtoref. kand. diss. [Increasing the carrying capacity of grounds of piles explosion-landmine displacement of soils. Abstract of cand. diss.]. Perm, 1994. 25 p.
3. Borozenets L.M. Metod rascheta nesushchey sposobnosti osnovaniya vzryvofugasnoy svai [Calculation method of bearing capacity of foundation explosion-landmine piles]. Inf. listok CNTI [Fact sheet STIC]. Vladimir, 1992, NTD № 92-56. 4 p.
4. Borozenets L.M. [Nonlinear mechanics of displacement of fine-grained soils in the foundations]. Geotekhnika Belarusi: nauka i praktika: mat. Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Geotechnics in Belarus: science and practice: materials of International scientific-technical conference]. Minsk, 2013, vol. 1-2, pp. 183-194 (in Russ).
5. Borozenets L.M. [Geotechnical engineering design and management of foundation explosion-landmine filling piles: geotechnical technical means and results of explosion-landmine displacement of a soil of wells]. Sovre-mennye geotekhnologii v stroitel'stve i ikh nauchno-tekhnicheskoe soprovozhdenie: sb. tr. Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Modern geotechnologies in construction and scientific and technical support: Proceedings of the International scientific-technical conference]. St. Petersburg, 2014, pp. 160-167. (in Russ).
Received 22 October 2015
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Борозенец, Л.М. Комплексное исследование несущей способности основания взрывофугасных свай / Л.М. Борозенец // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2016. - Т. 16, № 1. - С. 20-25. DOI: 10.14529/ЬшШ60103
FOR CITATION
Borozenets L.M. Comprehensive Analysis on the Bearing Capacity of High-Explosive Piles. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2016, vol. 16, no. 1, pp. 20-25. (in Russ.). DOI: 10.14529/build160103
