CC BY
74
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ.
МЕХАНИКА ГРУНТОВ
УДК 624.154.5:624.131.383
А.О. Глазачев
ГУП институт «БашНИИстрой»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ МАЛОМАСШТАБНЫХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ
Изучена динамика формирования и глубины развития активной зоны основания буронабивных свай, сложенного глинистыми грунтами, а также его форма и величина зоны уплотнения грунта ниже плоскости торца сваи при ее значительных осадках.
Исследования проводились методом статических испытаний в полевых условиях маломасштабных буронабивных свай с использованием глубинных марок и отбором грунтов в различных точках основания сваи.
Ключевые слова: буронабивная свая, глинистые грунты, статические испытания, глубинная марка.
В настоящее время в области фундаментостроения заметно увеличивается доля применения буронабивных свай. При расчетах таких свай по несущей способности в глинистых грунтах обычно используют таблицы зависимостей сопротивления грунта от его показателя текучести. Как показывает практика, этот метод расчета зачастую приводит к недоиспользованию потенциала несущей способности буронабивной сваи по грунту и, как следствие, к высокой материалоемкости. К примеру, для забивных свай в качестве альтернативного метода, обладающего более высоким уровнем достоверности, применяют метод расчета несущей способности по данным статического зондирования. Для таких свай накоплен значительный опыт применения этого метода, причем он показал высокую надежность и достоверность. Еще в прошлом веке вопросом применения статического зондирования для определения несущей способности свай достаточно активно занимались как российские [1—3], так и зарубежные исследователи [4, 5].
В отличие от забивных свай, для расчета которых применение статического зондирования регламентировалось нормами1 еще с 1970-х гг., для буронабивных свай этот метод расчета был включен в нормы2 только с начала 2000-х гг. При рассмотрении метода расчета буронабивных свай, по данным статического зондирования, можно отметить ряд существенных ограничений и упрощений:
при определении сопротивления грунта на боковой поверхности сваи не учитываются показания муфты трения зонда;
ограничения по размерам сваи: диаметр не менее 0,6 м и длина не менее 5,0 м;
1 СНиП 11-17—77. Свайные фундаменты.
2 СП 50-102—2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов.
рекомендации о необходимости сравнения результатов с расчетом по консистенции грунта.
Для расчета предельного сопротивления сваи по грунту в точке зондирования используется классическая двучленная формула, где первый член определяет сопротивление торца, второй — сопротивление на боковой поверхности сваи. Анализ существующих методов расчета по данным статического зондирования в ряде нормативных документов3 и рекомендациях [6] показывает, что методика определения сопротивления грунта на боковой поверхности у всех одинакова — это произведение удельного сопротивления грунта на боковой поверхности сваи с учетом переходных коэффициентов от данных статического зондирования на площадь боковой поверхности. Стоит отметить, что переходные коэффициенты могут значительно отличаться, так как в каждом методе существует разный подход к учету того или иного фактора влияния. В частности для буронабивных свай количество таких факторов в зависимости от технологии и грунтовых условий может оказаться значительным. Так, по результатам анализа ряда исследований [7—9] можно отметить, что величина сопротивления грунта на боковой поверхности зависит от таких факторов, как технология устройства, вид грунта, состав бетона и его водоцементное отношение, величина и степень нагружения, а также влияние оказывает временной фактор.
В существующих методах расчета буронабивных свай, по данным статического зондирования, для торца сваи существует отличие в назначении глубины активной зоны ниже плоскости торца, в пределах которой происходит усреднение значений статического зондирования. Так, например, в российских нормах, таких как СП 24.13330.2011, глубина активной зоны принимается до двух диаметров, а по методу расчета, предложенного Всесоюзным НИИ транспортного строительства [6], эта зона принимается в пределах 3-4 диаметров сваи. Из зарубежных нормативных документов можно отметить белорусские СНБ 5.01.01—99, где значения статического зондирования принимаются на участке глубиной 4 диаметра сваи, или европейские ENV 1997-3, для которых эта зона ограничивается от 0,8 до 4 диаметров.
С целью уточнения закономерности формирования активной зоны в основании буронабивной сваи, сложенном глинистыми грунтами на разных стадиях нагружения, были выполнены экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях в полевых условиях.
На опытной площадке были выполнены две маломасштабные буронабив-ные сваи диаметром 130 мм с погружением в грунт на 1100 мм. Сваи выполнялись из литого бетона класса В15 в предварительно пробуренной скважине. Бурение осуществлялось с помощью ручного бура. Бетон в скважину подавался с помощью бетонолитной трубы диаметром 50 мм с приемной воронкой. Качество изготовления скважины контролировалось визуально с помощью фо-
3 СП 24.13330.2011. Актуализированный СНиП 2.02.03—85. Свайные фундаменты.
П2-2000 к СНБ 5.01.01—99. Праектаванне забiуных и набiуных паляу па вышках задзiравання грунтоу.
European prestandard ENV 1997-3: 2000. Eurocode 7: Geotechnical design — Part 3: Design assisted by fieldtesting.
наря, а глубина — рулеткой. Так как сваи предполагалось испытывать только на действие вертикальной статической вдавливающей нагрузкой, поэтому армирование ствола сваи не выполнялось. Исследования проводились в два этапа: первый — статическое испытание свай с измерением вертикальных перемещений грунта основания с помощью глубинных марок; второй — откопка сваи с отбором монолитов грунта на различных глубинах.
Для испытания каждой буронабивной сваи монтировался стенд, состоящий из главной и опорных балок, а также анкерных свай. В качестве анкерных применялись 4 винтовые металлические сваи длиной 1,5 м с лопастью диаметром 180 мм. Винтовые сваи вкручивались вручную на глубину 0,8...1,2 м на расстоянии от оси испытуемой сваи 1,1 м. Нагрузка на сваю передавалась ступенями с помощью 4-тонного гидравлического домкрата. Измерение величины прилагаемой нагрузки производилось с помощью динамометра ДОСМ-3-5. Вертикальные перемещения сваи и глубинных марок фиксировались с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм. Испытание буронабивных свай вдавливающей нагрузкой выполнялось по методике ГОСТ 5686—94. Нагрузка прикладывалась равными ступенями до тех пор, пока не наступила незатухающая осадка.
I Этап. Спустя четыре недели после бетонирования и набора прочности бетоном до класса не менее В15 производилась подготовка к первому этапу исследований. Для определения вертикальных деформаций грунта в основании сваи на различных глубинах устанавливались глубинные марки (рис. 1). Марки изготавливались следующим образом: через металлическую трубку (выполняющую роль обсадной трубы) диаметром 10 мм и толщиной стенки 1 мм пропускалась стальная шпилька диаметром 5 мм, на которую с одного конца монтировался специальный якорь, а с другой стороны — опорный уголок для возможности фиксации деформаций индикатором перемещений. После установки глубинных марок окончательно монтировался испытательный стенд, а на специальной независимой раме устанавливались индикаторы вертикальных перемещений по одному на каждую марку и по два на сваю. Показания перемещений марок снимались после каждой ступени после достижения стабилизации осадки. Для последней ступени, при которой происходил «срыв» сваи, показания перемещения марок снимались в интервале 40...50 мм, а осадка сваи фиксировалась при максимально возможном перемещении, которое можно задать, исходя из длины штока домкрата.
По результатам первого этапа исследований были построены графики осадок свай (рис. 1, а) в зависимости от приложенной нагрузки. Как видно, полученные кривые нагрузка — осадка для буронабивных свай С1 и С2 схожи между собой, в связи с этим при дальнейшем анализе результаты осадок марок обеих свай рассмотрим в совокупности. Для этого за основу примем значения по маркам, полученным при испытании сваи С1, а недостающие — по результатам испытания сваи С2 (рис. 1, б). Для оценки зоны деформаций грунта ниже торца сваи построим эпюры изменения вертикальных перемещений грунта в сечении, расположенном на расстоянии 50 мм от боковой поверхности сваи, в зависимости от приложенной вертикальной нагрузки на эту сваю (рис. 2). Полученные эпюры позволяют проследить динамику развития активной зоны
под торцом буронабивной сваи. Можно заметить, что глубина сжимаемой зоны увеличивается по мере загружения и при достижении предельного состояния (27,5 кН) достигает 300 мм или 2,3 диаметра сваи. Судя по характеру эпюр, можно отметить, что вся область деформаций ниже плоскости торца сваи будет иметь вид «луковицы» с максимальным значением непосредственно под торцом.
а б
Рис. 1. Графики вертикальная нагрузка — осадка для буронабивных свай (а) и глубинных марок (б)
Рис. 2. Эпюры перемещения грунта основания сваи в вертикальном сечении на расстоянии 50 мм от боковой поверхности при различных ступенях нагружения
II Этап. После испытаний стенд демонтировался и производилась откопка сваи вручную. В ходе откопки производился отбор монолитов грунта на различных глубинах и расстояниях от сваи (рис. 3, а). Монолиты отбирались с шагом в плане 130 мм и по высоте 150...220 мм. Отбор образцов грунта производился с помощью колец с последующим испытанием их в лабораторных
условиях. Всего было отобрано 14 образцов с основания сваи (1...14) и два образца (I и II) на расстоянии 1,0 м от оси сваи в плоскости ее торца.
и -2(] -И -
2 +
4 *
6 +
12 И 10 * +
14 13
130 \ 130 \
а б в
Рис. 3. Точки отбора образцов грунта (а), изолинии изменения плотности скелета грунта (б) и коэффициента пористости (в)
По результатам отбора грунтов были определены их физические характеристики в лабораторных условиях (табл.). Для определения зоны уплотнения грунта использовались два параметра: изменение плотности скелета грунта (см. рис. 3, б) и изменение коэффициента пористости (см. рис. 3, в). Как видно из полученных результатов, зона уплотнения грунта формируется в основном ниже плоскости торца сваи и имеет форму «луковицы» с максимальными значениями под ее торцом. Что касается области деформаций, то можно отметить, что при значительных осадках сваи, более 75 мм (0,58а?), размеры этой области ниже плоскости торца не превышают трех диаметров и двух диаметров в сторону от оси сваи. В области же боковой поверхности значительное изменение физических характеристик грунта происходит на расстоянии менее 0,4 диаметра сваи от боковой поверхности.
Исходя из результатов исследований, можно сказать, что при действии нагрузок на буронабивную сваю ниже предельных по грунту, глубина активной зоны составляет порядка двух ее диаметров, а при достижении сваей предельного состояния, сопровождающегося значительными осадками, зона уплотнения не превышает трех диаметров в глубину и двух диаметров в сторону от оси сваи. Если рассмотреть ряд исследований с использованием жесткого штампа [10—13], то можно сказать, что воздействие на основание в плоскости подошвы буронабивной сваи в целом схоже с воздействием заглубленного жесткого
штампа. Данный вывод также подтверждается при сопоставлении результатов испытаний грунта на различных площадках заглубленными штампами разных диаметров с результатами расчета по данным статического зондирования [14]. Сопоставление показало достаточно тесную корреляционную связь между сравниваемыми величинами.
Физические характеристики грунта основания буронабивной сваи после статических испытаний
№ Природная влажность, дол. ед. Плотность грунта, г/см3 Плотность скелета грунта, г/см3 Плотность частиц грунта, г/см3 Число пластичности, дол. ед. Показатель текучести, дол. ед. Пористость, % Коэффициент пористости Коэффициент во-донасыщения Наименование грунта
1 0,231 1,81 1,47 2,74 0,191 <0 46,35 0,864 0,733 Глина твердая
2 0,266 1,88 1,48 2,74 0,212 0,12 45,99 0,851 0,856 Глина полутвердая
3 0,228 1,80 1,47 2,74 0,194 <0 46,35 0,864 0,723 Глина твердая
4 0,253 1,86 1,48 2,74 0,189 <0 45,99 0,851 0,814 Глина твердая
5 0,230 1,80 1,46 2,71 0,164 <0 46,13 0,856 0,728 Суглинок твердый
6 0,236 1,83 1,48 2,74 0,188 <0 45,99 0,851 0,760 Глина твердая
7 0,248 1,82 1,46 2,71 0,170 <0 46,13 0,856 0,785 Суглинок твердый
8 0,247 1,85 1,48 2,74 0,185 <0 45,99 0,851 0,795 Глина твердая
9 0,253 1,94 1,55 2,74 0,222 0,05 43,43 0,768 0,903 Глина полутвердая
10 0,259 1,84 1,46 2,71 0,168 0,08 46,13 0,856 0,820 Суглинок полутвердый
11 0,236 1,87 1,51 2,74 0,173 0,09 44,89 0,815 0,794 Глина полутвердая
12 0,259 1,92 1,53 2,74 0,173 0,10 44,16 0,791 0,897 Глина полутвердая
13 0,270 1,87 1,47 2,71 0,154 0,06 45,76 0,844 0,867 Суглинок полутвердый
14 0,258 1,86 1,48 2,71 0,166 0,02 45,39 0,831 0,841 Суглинок полутвердый
I 0,274 1,86 1,46 2,74 0,173 <0 46,72 0,877 0,856 Глина твердая
II 0,279 1,88 1,47 2,74 0,181 <0 46,35 0,864 0,885 Глина твердая
Библиографический список
1. Трофименков Ю.Г. Статическое зондирование грунтов в строительстве. М. : ВНИИНТПИ, 1995. 127 с.
2. Мариупольский Л.Г. Исследования грунтов для проектирования и строительства свайных фундаментов. М. : Стройиздат, 1989. 199 с.
3. Рыжков И.Б., Исаев О.Н. Статическое зондирование грунтов на современном этапе (по материалам II Международного симпозиума по статическому зондированию) // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 1. С. 28—32.
4. Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M. Cone penetration testing in geotechnical practice. London and New York: Spon Press, 2004. 312 p.
5. Burns S.E., Mayne P. W. Penetrometers for Soil Permeability and Chemical Detection / Funding provided by NSF and ARO issued by Georgia Institute of Technology Report No GIT-GEEGEO-98-1, July 1998. Georgia Institute of Technology. 1998. 144 p.
6. Рекомендации по определению несущей способности свай-оболочек и буровых свай по результатам статического зондирования грунтов. М. : ЦНИИС, 1990. 18 с.
7. Clayton C.R., Milititsky J. Installation effects and the performance of bored piles in stiff clay // Ground Engineering. London, 1983. Vol. 16. No. 2. Pp. 19—21.
8. O'Neill M.W., Reese L.C. Behaviour of axially loaded drilled shafts in Beaumont clay. Research Report 89.8. Center for Highway Research. The University of Texas at Austin. Austin, Texas, 1970. 749 p.
9. Uriel S., Otero C.S. Stress and strain beside a circular trench wall // Proc. Int. Conf. SMFE, Tokyo, Japan, 1977. Vol. 1. Pp. 781—788.
10. Гольдин А.Л., Прокопович В.С., Сапегин Д.Д. Упругопластическое деформирование основания жестким штампом // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1983. № 5. С. 25—26.
11. Мельников А.В., Новичков Г.Г., Болдырев Г.Г. Исследование деформированного состояния песчаного основания с использованием метода цифровой обработки образов // Геотехника. 2012. № 1. С. 18—31.
12. Рогатин Ю.А., Галин Ю.Н. Исследование механических свойств песчаного грунта на различной глубине // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1975. № 1. С. 28—31.
13. Федоровский В.Г., Кагановская С.Е. Жесткий штамп на нелинейно-деформируемом связном основании // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1975. № 1. С. 41—44.
14. Шеменков Ю.М., Глазачев А.О. Расчет буронабивных свай по данным статического зондирования при малоэтажном жилищном строительстве // Жилищное строительство. 2012. № 9. С. 58—59.
Поступила в редакцию в феврале 2014 г.
Об авторе: Глазачев Антон Олегович — старший инженер отдела строительных конструкций, Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и производственный институт строительного комплекса Республики Башкортостан (ГУП институт «БашНИИстрой»), Республика Башкортостан, 450064, г. Уфа, ул. Конституции, д. 3, (347) 242-42-54, [email protected].
Для цитирования: Глазачев А.О. Экспериментальные исследования вертикально нагруженных маломасштабных буронабивных свай // Вестник МГСУ 2014. № 4. С. 70—78.
A.O. Glazachev
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE VERTICALLY LOADED SMALL SCALE
BORED PILES
At present, while evaluating bored piles load capacity in clay soils by CPT data, the depth of active area below the end face plane, within which the averaging of CPT values
takes place, is taken as different in different Codes. Thus, for instance, in native Codes and Recommendations the depth of active area is taken from 2 to 4 pile diameters. In foreign Codes such as Belorussian, the depth of active area is taken up to 4 pile diameters and in European Codes — within 0,8—4 pile diameters.
In order to specify the regularities of active area forming at different stages of loading, in-situ experimental investigations of large scale models have been carried out. At the test site, two small scale bored piles with the diameter of 130 mm were penetrated into the soil to the depth of 1100 m. The investigations were carried out in two stages: the first — pile static test with measuring of soil vertical displacements with the help of deep marks; the second — digging out soil around the pile and soil sampling at different depths.
According to the results of the investigations carried out, the depth of the active area while reaching the limit state was determined to be about two pile diameters. With significant pile settlements (more than 0,58 d), the dimensions of this area do not exceed three pile diameters below the end face plane, and two diameters to the side from the pile axis. Within the lateral surface the significant variation of soil physical characteristics appears to be at the distance not less than 0,4 pile diameter from the lateral surface.
Due to investigations' results, it can be noted that in case of bored pile load less than the limit one, the depth of the active area is about two pile diameters. When the pile reaches its limit state, that provokes significant settlements, zone of compaction does not exceed three diameters to the depth and two diameters to the side from the pile axis.
Key words: bored pile, clay soils, static tests, deep mark.
References
1. Trofimenkov Yu.G. Staticheskoe zondirovanie gruntov v stroitel'stve [Cone Penetration Test of Soils in Construction]. Moscow, 1995, 127 p.
2. Mariupol'skiy L.G. Issledovaniya gruntov dlya proektirovaniya i stroitel'stva svaynyh fundamentov [Investigations of Soils for Design and Construction of Pile Foundations]. 1989, 199 p.
3. Ryzhkov I.B., Isaev O.N. Staticheskoe zondirovanie gruntov na sovremennom etape (po materialam 2 Mezhdunarodnogo simpoziuma po staticheskomu zondirovaniyu) [Up-to-date Cone Penetration Testing of Soils (from the Proceeding of the 2-nd International Symposium on CPT]. Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov [Bases, Foundations and Soil Mechanics]. Moscow, 2012, no 1, pp. 28—32.
4. Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M. Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. London and New York: Spon Press, 2004, 312 p.
5. Burns S.E., Mayne P.W. Penetrometers for Soil Permeability and Chemical Detection. Funding provided by NSF and ARO issued by Georgia Institute of Technology Report No GIT-GEEGEO-98-1, July 1998. Georgia Institute of Technology, 1998, 144 p.
6. Rekomendatsii po opredeleniyu nesushchey sposobnosti svay-obolochek i burovykh svay po rezul'tatam staticheskogo zondirovaniya gruntov [Recommendations on Evaluation of Bearing Capacity of Hollow Shell Piles and Bored Piles According to CPT Data]. Moscow, 1990, 18 p.
7. Clayton C.R., Milititsky J. Installation Effects and the Performance of Bored Piles in Stiff Clay. Ground Engineering. London, 1983, vol. 16, no. 2, pp. 19—21.
8. O'Neill M.W., Reese L.C. Behaviour of Axially Loaded Drilled Shafts in Beaumont Clay. Research Report 89.8. Center for Highway Research, The University of Texas at Austin, Austin, Texas, 1970, 749 p.
9. Uriel S., Otero. C.S. Stress and Strain Beside a Circular Trench Wall. Proc. Int. Conf. SMFE. Tokyo, Japan, 1977, vol. 1, pp. 781—788.
10. Gol'din A.L., Prokopovich V.S., Sapegin D.D. Uprugoplasticheskoe deformirovanie osnovaniya zhestkim shtampom [Elasto-plastic Deformation of a Basement Soil with Rigid Stamp]. Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov [Bases, Foundations and Soil Mechanics]. Moscow, 1983, no 5, pp. 25—26.
11. Mel'nikov A.V., Novichkov G.G., Boldyrev G.G. Issledovaniye deformirovannogo sostoyaniya peschanogo osnovaniya s ispol'zovaniem metoda tsyfrovoy obrabotki obrazov [Investigation of Sand Base Deformity Using the Method of Digital Processing of Images]. Geotehnika [Geotechnics]. Moscow, 2012, pp.18—31.
12. Rogatin Yu.A., Galin Yu.N. Issledovaniye mekhanicheskikh svoystv peschanogo grunta na razlichnoy glubine [Investigation of Mechanical Properties of Sandy Soil at Different Depths]. Osnovaniya, fundamenty i mehanika gruntov [Bases, Foundations and Soil Mechanics]. Moscow, 1975, no 1, pp. 28—31.
13. Fedorovskiy V.G., Kaganovskaya S.E. Zhestkiy shtamp na nelineyno-deformirue-mom svyaznom osnovanii [Rigid Stamp on the Nonlinear Deformable Cohesive Basement Soil]. Osnovaniya, fundamenty I mehanika gruntov [Bases, Foundations and Soil Mechanics]. Moscow, 1975, no 1, pp. 41—44.
14. Shemenkov Yu.M., Glazachev A.O. Raschet buronabivnykh svay po dannym stat-icheskogo zondirovaniya pri maloetazhnom zhilishchnom stroitel'stve [Analysis of Bored Piles According to Cpt Data at Low Housing Construction]. Zhilischnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. Moscow, 2012, no 9, pp. 58—59.
About the author: Glazachev Anton Olegovich — senior engineer, Department of Building Structures, Scientific-Research, Design-and-Engineering, Production Institute of a Building Complex of the Republic of Bashkortostan (BashNIIstroy), 3 Konstitutsii str., Ufa, 450064, Republic of Bashkortostan, Russian Federation; [email protected]; +7 (347) 242-42-54.
For citation: Glazachev A.O. Eksperimental'nye issledovaniya vertikal'no nagruzhen-nykh malomasshtabnykh buronabivnykh svay [Experimental Investigations of Vertically Loaded Small Scale Bored Piles]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 4, pp. 70—78.
