CC BY
153
Ш
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЕ МАЛОВЛАЖНОГО ПЕСЧАНОГО ГРУНТА ВОКРУГ СВАЙ-РИТ
3. Г. Тер-Мартиросян В.Я. Еремин А.А. Буданов
Многократные импульсные воздействия - электровзрывы, осуществляемые при изготовлении свай-РИТ, воздействуют на окружающий грунт, изменяя его напряженно-деформированное состояние (НДС) и значительно повышая несущую способность (НС) свай-РИТ по грунту. Проанализировано поведение несвязного грунта при изготовлении таких свай. Обосновывается предложенная модель создания под нижним концом буровой сваи НДС грунта, как под забивной. Рассчитанная по этому принципу НС свай-РИТ обеспечивает необходимую сходимость с результатами натурных испытаний.
Разрядно-импульсные технологии (РИТ) применяются в геотехнике с 1962 г. (приоритет МИСИ №30166 от 5.06.62). Под руководством д.т.н. Г. М. Ломизе исследовано уплотнение водонасыщенныгс песчаныгс грунтов [1]. Исследования, вышолненные в МИСИ (МГСУ), оказались весьма актуальными. Принципиальная возможность использования мощныгс импульсов тока для создания в грунте буронабивных свай с уширениями и упрочнением прилегающего грунта, была доказана уже в 70-х годах [2]. Однако переход к индустриальному использованию РИТ в строительстве стал возможен лишь в последнее время благодаря быстрому прогрессу в развитии элементной базы сильноточной импульсной техники и появлению малогабаритные серийно вытускаемыгс установок с большим ресурсом, а также внедрения методик расчета геотехнических конструкций, изготовленных с использованием РИТ.
Для изготовления свай-РИТ (рис. 1а), в пробуренную скважину, заполненную бетонной смесью подвижностью П4...П5, погружают электроды, на которые с интервалом 3...10 с подают импульсы электрического тока напряжением до 10 кВ. В межэлектродном промежутке в момент пробоя бетонной смеси - электрического разряда, то есть электровзрыва (ЭВ), зарождается ударная волна, на месте разряда образуется быстро расширяющаяся камуфлетная полость (КП). Приведенная в движение бетонная смесь передает импульс давления окружающему грунту. Грунт в локальной зоне уплотняется и поперечное сечение сваи увеличивается. КП схлопывается, заполняясь бетонной смесью под действием сил гравитации, после чего ЭВ может быть произведен повторно.
ЭВ имеет определенное сходство с камуфлетным взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ). Но, в отличие от сваи с камуфлетным уширением (КУ), полученным взрывом заряда ВВ, КУ у сваи-РИТ создают серией щадящих ЭВ, за счет накопления пластических деформаций грунтом, окружающим источник возмущений. После серии ЭВ на заданных уровнях разрядно-импульсной обработки (РИО), свая-РИТ приобретает гантеле-образную форму, а напряженно-деформированное состояние (НДС) грунта вокруг зон РИО существенно изменяется, обеспечивая сваям-РИТ высокую несущую способность (НС) по грунту.
РИТ, применительно к грунтам, характеризуется: высокой плотностью энергии, преобразуемой в локальной зоне; отсутствием вредных продуктов детонации и опасного сотрясения окружающего массива (характерных для взрывов ВВ); управляемостью процессом путем варьирования энергетическими параметрами (напряжением, емкостью и др.); воспроизводимостью; возможностью многократного воздействия в заданном месте по длине сваи [3]. В геотехнике РИТ имеют ряд преимуществ: энергия запасается в накопителях на значительном расстоянии от места ее преобразования, с приемлемым к.п.д. транспортируется к месту РИО; при ЭВ уплотняется трудноудаляемый грунт в забое скважины и др.
/А/А
- 1 1
ч
X ■ч
X \
ч \
ч
2/2008 _МГСУТНИК
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
N
Рис. 1. а) - Сущность разрядно-импульсной технологии: 1 - ствол сваи после РИО; 2 - штанга с электродами; 3 - генератор импульсных токов (ГИТ); 4 - бетононасос; 5 - зона цементации грунта; 6 - зона уплотнения (ЗУ) грунта; б) - График испытания НС висячей сваи-РИТ по грунту 0=3ООмм, длиной 18м
При испытаниях по [4] подтверждается высокая НС свай-РИТ по грунту, часто достигающая НС по материалу. Так, при длине сваи не менее 18-20м и буровом диаметре d=180мм НС сваи-РИТ практически в любых грунтах - более 50т, при d=250мм - превышает 100т, при d=300мм - 150т и более, при этом, осадки не превышают допустимых величин, а после снятия нагрузки измеряются первыми миллиметрами. (рис. 1б). Однако в связи с малой изученностью изменения НДС прилегающего грунта в процессе изготовления свай-РИТ и недостаточным обоснованием расчета их НС по грунту, приходится значительно занижать допускаемую расчетную нагрузку. В результате, НС свай-РИТ, устанавливаемая при испытаниях вдавливающей нагрузкой, в 2... 4 раза превышает НС, рассчитываемую по [5] (п.4.6.), в 2.2,5 раза - по [6] и (п. 7.2.6) [7]. Такое недоиспользование НС свай сдерживает реализацию национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».
Для прогнозирования многократного механического действия ЭВ-ов, необходимы данные о поведении грунта и изменении его основных характеристик [8].
По сравнению с изменением НДС грунта, в процессе бурения скважины и заполнения ее бетонной смесью, основное преобразование НДС происходит при РИО скважины - циклическом импульсном воздействии (удар-разгрузка) с накоплением остаточных деформаций и напряжений в грунте (рис. 2). Уплотненное состояние грунта обеспечивает
МЪЬ
Рис. 2. К механизму формирования НДС грунта вокруг сваи-РИТ
неполную релаксацию его напряжений, а до некоторого остаточного значения, больше природного.
Точный прогноз размеров КУ ствола сваи-РИТ и зон преобразованного вокруг них НДС грунта - достаточно трудная задача. Основные сложности исследований импульсного пробоя в жидкостях состоят в относительном непостоянстве амплитуды возмущающего давления (рис. 3) и в быстротечности процесса (менее 0,5 мс) при высоких давлениях, достигающих в канале разряда 109Па. К тому же, при ЭВ, размеры формируемого КУ, и, следовательно, зоны уплотнения (ЗУ) и зоны измененного НДС грунта вокруг сваи-РИТ, зависят от многих факторов: вида грунта; состава и электропроводности бетонной смеси; параметров и количества ЭВ и др.
Рис. 3. - Амплитуды возмущающего давления последовательных ЭВ
Попытки рассчитать НС свай, изготовленных с помощью ЭВ, на основе расчета давления в канале разряда или путем "прямого" перерасчета энергии ЭВ в энергию взрыва ВВ (для использования опыта взрывного дела), реального успеха не имели. При сходстве общего характера волновых картин, установить количественное соотношение между взрывом ВВ и ЭВ не удалось, при единичном взрыве ошибка достигает 30.35% [9].
В тоже время, из теории камуфлетных взрывов известно, что радиусы получаемых КП и ЗУ вокруг них, кратны радиусам зарядов ВВ в тротиловом эквиваленте, то есть отвечают принципам теории геометрического подобия, не зависят от масштаба взрыва и глубины размещения заряда, а зависят только от характеристик грунта. Учитывая близкий характер динамического воздействия ЭВ и взрыва ВВ, а также отсутствие у ЭВ массы и радиуса заряда, высказали гипотезу, что радиус ЗУ для каждого вида грунта пропорционален размерам КП (более подробно в [10]). Другими словами, зная объем КП можно определить размеры ЗУ.
При изготовлении свай-РИТ, КП, создаваемая каждым ЭВ, тут же заполняется бетонной смесью, что фиксируется по ее осадке (А^;) в устье скважины (см. рис. 5в). Объем каждой КП, а также суммарный объем условной камуфлетной полости (УКП), не сложно вычислить (более подробно в [11]). Допуская, что УКП имеет форму шара, искомое выражение для определения ее радиуса за серию из N ЭВ, начиная с первого, может быть представлено в виде
Е>1... N
Кыкр
=ё (г2 - П >£ ^.
(1)
где г8 - радиус скважины, г^ - радиус штанги с электродами.
Радиус сферического КУ сваи-РИТ, увеличивающегося с каждым последующим ЭВ, можно вычислять по формуле
+ г
(2)
Известно, что при погружении забивной сваи, в ее основании происходит внутренний выпор грунта с формированием ЗУ и зоны, в которой изменяется НДС грунта (см. также [12]). При этом размеры зон кратны диаметру (радиусу) забиваемой сваи. Образу-
2/2008_МГСУ ТНИК
емая полость в грунте, вокруг нижнего конца забиваемой сваи, одновременно с образованием заполняется телом погружаемой сваи. Другими словами, диаметр данной полости соответствует диаметру забиваемой сваи а^. Учитывая 1-ю гипотезу, а также аналогию ЭВ и камуфлетного взрыва заряда ВВ, была высказана 2-я гипотеза о возможности распространения принципов теории пропорциональности и геометрического подобия размеров ЗУ и зон, в которых изменяется НДС грунта, размерам КП (УКП), независимо от способа их камуфлетирования. То есть, если в результате РИО нижнего конца сваи-РИТ, будет сформирована УКП диаметром Ёикр равным диаметру забивной сваи
^ = а , (3)
икр 28
то, вокруг КУ сваи-РИТ, полученного серией ЭВ сформируются зоны, в которых НДС грунта, с приемлемой для инженерной практики точностью, будет конгруэнтно НДС грунта у нижнего конца забивной сваи, условно погруженной в этот же грунт до центра УКП.
Учитывая, что НДС грунта, создаваемое в основании сваи, в итоге, определяет значение расчетного сопротивления грунта Я под ее нижним концом, для расчета НС под нижним концом сваи-РИТ с УКП диаметром Ё^р^ = , можно использовать расчетные сопротивления грунта Я, рекомендуемые для забивных свай (например по табл. 7.1 [7] или табл. 1 [5]).
Для проверки высказанных гипотез были проведены экспериментальные исследования.
1-я серия экспериментов выполнялась численным моделированием (с помощью программного комплекса Р1ах18 V 8.2) и в натурных условиях (на реальных строительных объектах) (рис. 4). Сопоставляли результаты испытаний вдавливающей нагрузкой свай, изготовленных с различными параметрами РИО. Влияние РИО на уплотнение грунта изучалось методом динамического зондирования и отбором проб из выработок вокруг свай-РИТ с последующими лабораторными исследованиями этих проб.
Выявлено, что даже в результате РИО всего по 5 ЭВ на каждом уровне, происходит некоторое увеличение плотности, прочности и уменьшение деформируемости маловлажных песков средней плотности и рыхлых. Рыхлые пески уплотнились до средней плотности сложения. При этом песок между сваями-РИТ, изготовленными в качестве ограждения котлована, был устойчив и не требовал крепления. Стенки котлована на удалении (где исключалось влияние РИО), между элементами крепления были неустойчивы, осыпались [8].
По результатам зондирования и исследования свойств околосвайного грунта, также установлено его уплотнение вокруг КУ. Динамическое сопротивление зонду увеличивалось в 2.4 раза (на расстоянии до 0,5м). Графическое сравнение плотности грунта р(ра) до и после РИО (рис. 4в, г), свидетельствует, что вокруг КУ образуются ЗУ и зоны, в которых изменяется исходное НДС грунта, способствующее увеличению НС свай-РИТ.
Численное моделирование (рис. 4б) и натурные испытания свай, изготовленных с различными параметрами РИО, показали существенное влияние на характер кривых я=/(Р) количества и размеров КУ (рис. 4а). В зависимости от характера воздействия РИО (в большей или меньшей степени) можно увеличить НС буровой сваи в 2.3 и более раз. Так, НС натурных 5-ти метровых свай-РИТ буровым 0 =180 мм оказалась 1,4.3,9 раза выше буровой, 2-х метровых - в 3,5 .5,6 раза. Управляя РИО можно обеспечить требуемую НС сваи-РИТ по грунту.
В данной серии исследований количественная оценка изменения НДС грунтов не проводилась.
Рис. 4. Изучение влияния РИО на уплотнение грунта и увязка РИО с результатами испытаний свай вдавливающей нагрузкой. а) - Влияние геометрической формы сваи /=15 м, =300 мм на ее НС, в виде зависимостей осадка-нагрузка 8=/(Р) (Р1ах18). б) - Слайд численного моделирования с помощью программы Р1ах18 в осесимметричной постановке. в) - Плотность скелета грунта до и после РИО. г) - Изменение плотности грунта с удалением от сваи-РИТ.
2-я серия исследований выполнялась в экспериментальном лотке а=2м, Н=2,1м. Изучалось влияние РИО (при изготовлении свай-РИТ) на изменение НДС и основных физико-механических характеристик маловлажных песков, средней крупности и пылеватого (зерновой состав приведен в табл. 1.), рыхлых и средней плотности сложения (е0 = 0,61...0,81). Ниже приводятся результаты анализа экспериментов, в том числе выявленные закономерности и полученные зависимости.
Таблица 1
Гранулометрический состав исследованных песков
Наименование песка Содержание фракций
мм >10 10-5 5-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 <0,1
Средней крупности % 0,0 0,9 4,6 14,5 23,2 40,9 15,4 0,5
Пылеватый % 0,0 0,0 0,3 0,3 0,8 4,0 36,3 58,3
Опыты проводились при различной энергии (=С0 -{/02/2 ), накапливаемой в ГИТ -3,6; 10,8 и 21,7кДж (при Ц0=сои5?).
Песок в лоток укладывали послойно с уплотнением. На уровнях и расстояниях, заданных планом эксперимента (рис. 5 а и 5б), закладывали реперы -4, датчики радиальных перемещений -5 и тензорезисторные преобразователи давления конструкции ЦНИИСК (тип М-70) -6. После заполнения лотка песком в обсадную трубу -7 подавали бетонную смесь подвижностью П-5, трубу извлекали на 30.35см, и на уровень М"0" погружали электроды, смонтированные на штанге -9, соединенные с ГИТ -10 коаксиальным кабелем -11. Далее осуществляли до 90 ЭВ. В процессе РИО фиксировали: - в обсадной трубе уровни бетонной смеси, расходуемой на заполнение КП; - положения штоков датчиков перемещений -5; - показания датчиков напряжений -6. По окончании РИО показания последних продолжали снимать до условной стабилизации напряжений.
1-1
Рис. 5. Исследование закономерностей изменения НДС маловлажного песчаного грунта при изготовлении свай-РИТ в зависимости от энергии и числа ЭВ. а) - Принципиальная схема экспериментального лотка с начальным расположением реперов и датчиков. б) - Сечение лотка 1-1. в) - Схема образования КП и КУ сваи-РИТ. 1 - стационарное ж/б кольцо; 2 - съемные ж/б кольца; 3 - песок; 4 - система реперов; 5 - датчики смещений грунта; 6 - датчики напряжений; 7 - обсадная труба 110х5мм; 8 -бетонная смесь В25, подвижностью П-5; 9 - штанга с электродами; 10 - ГИТ; 11 - коаксиальный кабель; 12 - граница КУ сваи-РИТ после серии ЭВ; 13 - граница скважины; 14 - граница КП одиночного ЭВ
Рис. 6. Уширения свай-РИТ в маловлажном песчаном грунте средней крупности. а), б) и в) - в песке рыхлом, м> = 4 - 6%, соответственно Ж0=3,6; 10,8 и 21,7кДж, г) и д) - в песке средней плотности сложения, Ж0=10,8 кДж, соответственно w = 4 - 6% и 8-10%.
Песок из лотка удаляли послойно с фиксацией остаточных деформаций грунта по положениям реперов -4 в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Исследовали физико-механические характеристики проб грунта. У откопанных свай-РИТ измеряли КУ (рис. 6) и сопоставляли с рассчитанными (по формуле 2). Отклонения в объемах не превышали 5%.
Для возможности анализирования и сопоставления деформаций разноудаленных точек грунта, полученных в результате различного числа ЭВ с разной энергией W0, была введена "универсальная" единица измерения - радиус УКП, образуемой на данный момент - Ркр (после N ЭВ), что позволило получить значения, отвечающие принципу подобия. Рассеянное семейство кривых (рис. 7а) представленное на рис. 76 в радиусах УКП - сливается (более подробно в [13]). Подобная картина наблюдалась во всех опытах.
ЯЮ5 =(3,5...4,0 )
61
EL
Начальное
0.50 0.45 0.40 1 0.35 И а > о.зо N 025 п 1 " 0.20 - С § 0.15 - I о.ю 0,05 0.00 0
—*— 5Э& -■—10 ЭВ —А—15 ЭВ
-*—2 0 5В 5 ЭВ ОЭВ 5 ЭВ ОЭВ
-
.0
0 Нач 0 2 тьное по 0 3.0 4.0 5 очага Э 0 5, Ял 6 r=R 0 9/R 7 0 Р
В1
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 КОЛ-вО Эв-вОв, /V
65 70 75 80 85 90
0.4 06 08 1 0 1.2 1 4 1 6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 28 3.0 32 34 3.6 3.8 Hdvs.ib.4oe радиальное положение тонки от очага ЭВ. ft'w R t/R.nm.i
Рис. 7. Деформируемость маловлажного песчаного грунта при изготовлении свай-РИТ. а) и б) -Радиальные перемещения песка с удалением от центра ЭВ, при фиксированном количестве ЭВ
пластических деформаций различно удаленных (от центра ЭВ) точек грунта в зависимости от количества ЭВ К, в относительных единицах ( ). г) - Конечные радиальные перемещения
реперов с удалением от центра ЭВ. Здесь АР1"'1 /Р^р - относительное перемещение штоков дат-
чиков, ЛР1^^^N = г1^ - г0, г0 и r1■■■N - соответственно, начальное положение точки (до РИО) и после N ЭВ, г0 /Рикр - относительное расстояние точки до центра ЭВ, Р^" = Р^к?"'*'' -
Перемещения штоков датчиков -5, показали нелинейную картину накопления необратимых деформаций в песке с увеличением числа ЭВ (рис.7в). Приращения уменьшаются с каждым ЭВ. Затухающий характер развития деформаций разноудаленный точек -идентичен. Наибольшая интенсивность роста КУ сваи-РИТ (кривая Rush) и остаточных деформаций в ближней к источнику ЭВ зоне грунта наблюдалась за первые 25-30 ЭВ, до-
N, соответственно - в абсолютных (мм) и в относительных единицах ( R ). в) - Накопление
стигая 65-70% от общего значения деформации за весь опыт. После 60-70 ЭВ перемещения штоков от единичного импульса быши соизмеримы с погрешностями измерений, однако полного прекращения перемещений зафиксировано не было даже при 90 ЭВ. Кроме того, наблюдаемая в начале каждого опыта большая разница показаний разноудаленный датчиков, постепенно выравнивалась.
Кривые, отражающие накопление остаточных деформаций (рис. 7в), с достаточной для расчетов точностью описываются функцией
иг^ = и0 • (1 - е^"), (4)
где urN - радиальное перемещение грунта; и0 и у - параметры, зависящие от вида грунта, начального положения рассматриваемой точки до очага ЭВ и накапливаемой энергии; N - число ЭВ; е - основание натурального логарифма.
Конечные радиальные перемещения реперов относительно источника возмущений убывают по гиперболической зависимости (рис. 7г). Сближение кривыгс указывает на то, что уплотнение грунта происходит с симметрией близкой к сферической.
Использование Я^р для иллюстраций перемещений грунта позволило четко выделить области с различной степенью его деформирования (рис. 7б). На расстоянии более (З,5...4,0^>Яикр , остаточные перемещения сопоставимы с погрешностью измерений. В ближней зоне (от 1,0Я1икр^ до 3,5Я^р) деформации возрастают, в области предельного уплотнения ( < 1,0Я1ир) - становятся весьма значительными. В опытах, соотношение размеров этих областей не зависело от параметров (Щ0, и, С, индуктивности цепи и др.) и количества ЭВ.
Модуль общей деформации грунта Е0 с каждым ЭВ увеличивается, приближаясь к модулю разгрузки - возрастает упругость грунта. В опытах с рыхлым песком Е0 изменился с 8.10 МПа до 40 МПа. При РИО с фиксированной энергией, накапливаемой в ГИТ, изменение модуля деформации следует рассматривать как функцию минимум двух аргументов: расстояния до центра ЭВ и числа циклов нагружения.
В результате исследования проб грунта, взятых по мере откопки свай на различном удалении от очага ЭВ, изменение влажности w не зафиксировано, но быш установлен зональный характер распределения плотности скелета грунта (объемной деформации 9,) с удалением от центра ЭВ. Построенные по данным опытов кривые 9, = / (Яи^90) = f (ЯитрХ) (рис. 8) в исследуемом диапазоне могут быть аппроксимированы следующей зависимостью
9, = кхе
- т¡Я2
К 2е
-т2 (Я-Ят >
(5)
где Я= г / Яир - относительное расстояние от очага ЭВ до рассматриваемой точки (после РИО) в радиусах УКП; Ят - радиус второго пикового значения плотности; К1, К2, ть т2 - эмпирические коэффициенты.
Радиус ЗУ во всех опытах превышал 3,5 радиуса УКП (Яи = 3,5). Среднюю плотность грунта в ЗУ можно определить из выражения
Рср = р0
Я3 - Я3
2и шН
= Р0
(3,5 Я^ >
- г„
(3>5) - >
3/2
(6)
где N - количество произведенных ЭВ, Я1^ - по ф-ле 1, ЯшН - по (2).
Рис. 8. Изменение объемной деформации песка 0^ с относительным расстоянием
Изменение напряженного состояния грунта при динамическом воздействии свидетельствовало о непостоянстве амплитуд давления ЭВ, достигающем 50% между отдельными максимумами в серии последовательных ЭВ (рис. 9а). Скорость фронта "взрывной" волны, за границей скважины и далее в песке быстро снижалась до 150...180м/с, что согласуется с данными взрывов микро зарядов ВВ в маловлажных песках.
Закономерность распространения давлений "взрывной" волны (рис. 9б) с расстоянием от очага одиночного ЭВ может быть описана зависимостью
Ртах( Г) = ""
(7)
где ст0 - коэффициент; 8 - показатель адиабаты; г - расстояние от центра ЭВ.
Рис. 9. Напряженное состояние маловлажного песчаного грунта при изготовлении свай-РИТ: а) -Осциллограммы давлений 5-ти последовательных ЭВ в точке, удаленной на 0,3м от центра РИО; б) Кривые изменения давления на фронте "взрывной" волны в зависимости от расстояния до центра ЭВ (Ж0=10,8 кДж); в) - Накопление остаточных радиальных напряжений в песчаном грунте вокруг сваи-РИТ в зависимости от числа ЭВ; г) - Изменение радиальных напряжений в
грунте после РИО сваи-РИТ
После каждого ЭВ фиксировалось изменение (накопление) остаточных радиальных напряжений, которое носило затухающий характер. Датчики находящиеся ближе к источнику возмущений фиксировали более значительные изменения остаточного напряженного состояния (рис. 9в).
Замеры радиальных напряжений после РИО показали их стабилизацию после незначительной релаксации за первые часы (рис. 9г). Можно считать, что радиальные обжимающие напряжения релаксируют не полностью, сохраняя избыточное (по отношению к природному) напряженное состояние. Остаточные напряжения в грунте с удалением от центра ЭВ изменяются по гиперболической зависимости с максимумом на границе свая-РИТ-грунт.
Зона изменения напряженного состояния при динамическом воздействии превосходила размеры лотка, остаточные напряжения фиксировались на удалении
/с А П п\г>1-90 т)1...90 г>1-. шах
(5Д..7,0)ЯЛр , где Яикр = Яикр .
Зафиксированные размеры ЗУ и зон изменения НДС грунта во всех экспериментах, независимо от параметров и количества ЭВ, оказались пропорциональны размерам УКП, что подтверждает правильность высказанных гипотез о распространении принципов теории пропорциональности и подобия их размеров размерам УКП.
Если известен объем (радиус) УКП и коэффициент пропорциональности (для данного вида грунта), независимо от параметров ЭВ и их количества, можно определять размеры ЗУ и зоны изменения НДС грунта вокруг КУ сваи-РИТ. Объем УКП определяется суммированием объемов КП единичных ЭВ, и соответствует объему бетонной смеси осевшей в скважине (см. рис. 5в).
Решая обратную задачу, т.е. зная диаметр поперечного сечения скважины заполненной бетоном и задаваясь требуемым диаметром УКП (см. условие 3), получим величину осадки бетонной смеси в устье скважины в результате РИО грунта (после N ЭВ) в нижнем конце сваи-РИТ, при которой будет достигнуто НДС грунта, аналогичное НДС в основании забивной сваи
N 2 2
уь -Хм, = -а, = -йа, (8)
1=1 3 3
где уь - коэффициент, учитывающий потери бетонной смеси за счет ее уплотнения, налипания на стенки скважины и водоотдачи, < 1,0.
При снижении уровня бетонной смеси в устье скважины (в результате РИО грунта в нижнем конце сваи-РИТ) не менее величины, определенной по (8), НС грунта под нижним концом висячей сваи-РИТ может быть вычислена по формуле
^ =7С-Ул-Х-А , (9)
где Я - расчетное сопротивление под нижним концом забивной сваи, принимаемое по табл.7.1 [7]; ус - коэффициент, учитывающий условия работы сваи, принимается согласно [7], ус = 1; уся - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи-РИТ, принимается уся = 1, как для забивной сваи; А - площадь поперечного сечения сваи-РИТ, принимается по площади поперечного сечения скважины А = А^
В отличие от забивной сваи, у которой максимальные размеры (образуемой телом сваи) полости в грунте, ЗУ и зоны изменения НДС лимитируются сечением сваи, у сваи-РИТ при продолжении РИО в забое скважины, можно в песчаных грунтах изменить НДС в зоне большего размера, чем у забивной сваи, и получить УКП, диаметр которой боль-
ше диаметра забивной сваи > . Данное преимущество свай-РИТ перед забивны-
икр
ми позволяет наиболее полно использовать НС грунта.
При осадке бетонной смеси > 1,5^, коэффициент уся можно принимать = 1,3 как для свай с КУ, а площадь поперечного сечения сваи-РИТ в зоне КУ определять по его наи-
большему диаметру (радиусу), по ф-ле (2).
До проведения экспериментальной РИО свай-РИТ на объекте в конкретных грунтах и получения фактических значений диаметров КУ (Л)/(луг) их величины рекомендуется принимать не более величины диаметра пройденной скважины, умноженной на предельные коэффициенты уширения = /с/(лу( • , установленные опытным путем в зависимости от бурового диаметра сваи, вида и разновидности грунта (приведены в [14]).
НС сваи-РИТ на боковой поверхности может вычисляться путем использования расчетных сопротивлений грунтана боковой поверхности сваи по табл. 7.2 [7]. Образуемые КУ по стволу сваи-РИТ учитываются введением коэффициента усу = 1,3, как для свай с КУ. Периметр поперечного сечения сваи-РИТ в зоне РИО определяется исходя из
среднего значения диаметров поперечного сечения с/(у ствола сваи в /-том слое грунта с учетом п /-тых КУ.
Рассчитанная по такому принципу НС свай-РИТ приближается к данным, полученным при их контрольных испытаниях вдавливающей нагрузкой по [4], с запасом 15... 20%, что доказывает правильность принятых гипотез.
При устройстве свайного фундамента под высотный дом (И 120м) на пр-те Вернад-ского-37, за счет использования предложенной методики, разместили 899 свай-РИТ с{=300мм в фундаментной плите площадью 1570м2- и заменили запроектированные ранее сваи с]=1м. Деформации здания массой 128000т стабилизировались за 2 года, при равномерной осадке менее 40мм. Эффективность применения свай-РИТ на этом объекте превысила 200млн. руб.
В Семеновском пер.-21 на сваях-РИТ, рассчитанных по предложенной методике, возведено первое высотное (35-ти этажное) здание по программе "Новое кольцо Москвы"
Предложенный метод определения НС свай-РИТ, использующий проверенную практикой существующую нормативную базу, вошел в технические рекомендации по проектированию и устройству свай-РИТ [14], утвержденных Руководителем департамента градостроительной политики развития и реконструкции Москвы (приказ №96 от 6 мая 2006г).
Следует отметить, что наблюдается эффект увеличения НС свай-РИТ по грунту во времени. Сваи-РИТ под жилой комплекс на ул. Профсоюзная-64, испытанные через месяц после изготовления вдавливающей нагрузкой 196т имели осадку около 7,8 и 9,6мм. Строительство было остановлено и при испытаниях нагрузкой 240 и 260т через 8 месяцев на том же объекте сваи-РИТ имели осадку 6,1 и 5,3мм!
ВЫВОДЫ
1. Высокая несущая способность свай-РИТ по грунту (до 200 т и более при буровом диаметре скважины 0 320 мм), обусловлена изменением напряженно-деформированного состояния грунта вокруг зон разрядно-импульсной обработки. Рост камуфлетного уширения ствола сваи-РИТ, накопление остаточных деформаций в грунте и увеличение радиальных напряжений, обжимающих ствол сваи, определяет увеличивающийся с каждым электровзрывом размер условной камуфлетной полости.
2. Объем условной камуфлетной полости зависит от параметров и числа электровзрывов, является интегральной характеристикой разрядно-импульсной обработки грунта при изготовлении свай-РИТ, вычисляется путем суммирования объемов единичных ка-муфлетных полостей, образующихся при каждом электровзрыве.
3. В маловлажных песчаных грунтах, с увеличением расстояния от центра электровзрывов, напряжения и деформации затухают по гиперболическим зависимостям. Характер кривых, отражающих накопление пластических деформаций, одинаков как для разноудаленных точек, так и для песков различной крупности. Сформированное поле избыточных радиальных напряжений в песчаном грунте малой влажности вокруг камуфлет-ных уширений сваи-РИТ релаксирует не полностью, сохраняя избыточное (по отношению к природному) напряженное состояние грунта.
4. В исследуемом диапазоне энергий размеры зоны уплотнения и зон изменения напряженно-деформированного состояния маловлажных песчаных грунтов вокруг камуф-летных уширений свай-РИТ, независимо от параметров и количества электровзрывов, сохраняют пропорциональность (геометрическое подобие) размерам условной камуфлет-ной полости, формируемой серией электровзрывов на данный момент. То есть размеры каждой из зон являются функцией объема условной камуфлетной полости.
5. В результате разрядно-импульсной обработки в радиусе 3,5 условной камуфлет-
ной полости (3 5-Я1:1*) вокруг формируемого камуфлетного уширения сваи-РИТ увели' икр
чиваются плотность, модуль деформации и прочность маловлажных песков средней плотности и рыхлых, что подтверждает аналогию действия электровзрывов и камуфлет-ных взрывов малых зарядов взрывчатых веществ, где также размеры зоны уплотнения принимают равной (3,0...3,5)Якр, и практически сопоставимо с уплотнением песка при погружении забивной сваи, где размеры зоны уплотнения принимают равными 3-м диаметрам сваи (3^х).
6. В результате управляемой разрядно-импульсной обработки нижнего конца сваи-РИТ до достижения диаметра условной камуфлетной полости не менее диаметра забивной сваи, вокруг камуфлетного уширения формируются зона уплотнения, а также зоны деформаций и изменения напряжений, конгруэнтные соответствующим зонам деформаций, напряжений и уплотнения грунта у нижнего конца забивной сваи. Критерием оценки служит величина осадки бетонной смеси в устье скважины, превышающая 2/3 диаметра скважины.
7. При выполнении приведенного выше условия, для предварительных расчетов несущей способности грунта под нижним концом сваи-РИТ можно использовать расчетные сопротивления грунта Я, принятые под нижним концом забивной сваи (по табл.7.1 СП 50-102-2003 [7] или табл.1 СНиП 2.02.01-85 [5]), установлены пределы применимости этого положения.
8. Рассчитанная с помощью данной методики несущая способность свай-РИТ значительно точнее приближается к данным, полученным при их контрольных испытаниях вдавливающей нагрузкой по ГОСТ 5686-94 [4], с запасом до 15.20%, что позволяет значительно снизить нерациональный расход ресурсов при их изготовлении.
9. Результаты испытаний свай с интервалом в 8 месяцев также свидетельствуют о практическом отсутствии релаксации грунта вокруг камуфлетных уширений свай-РИТ, доведенного путем разрядно-импульсной обработки до упруго-уплотненного состояния, и доказывают прирост несущей способности свай-РИТ по грунту во времени. Данный пример, наряду с другими подтверждает эффективность применения свай-РИТ в основании зданий повышенной этажности.
10. Опыт применения свай-РИТ и выполненные исследования по взаимодействию свай-РИТ с окружающим грунтом, позволили разработать Технические рекомендации по проектированию и устройству свай-РИТ для зданий повышенной этажности и сооружений 1-го (повышенного) уровня ответственности - ТР 50-180-06 (утверждены Правительством Москвы 6 мая 2006 г.) [15].
Литература
1. Гильман Я.Д. Уплотнение водонасыщенных песчаных грунтов действием электрических разрядов: Дис...канд. техн. наук. - М.: МИСИ, 1963. - 172с.
2. Яссиевич Г.Н. Исследование способа изготовления буронабивных свай с помощью электрогидравлического эффекта и их работы под вертикальной нагрузкой: Дис.канд. техн. наук: - Л.: ЛИСИ, 1977. - 225с.
3. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. - Киев: Наук. Думка, 1983. - 272с.
4. ГОСТ 5686-94. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. - М., ИПК Изд. Стандартов, 1996. -51с.
IliU
V
- Н i Ü *1ч
5. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2002.-48с.
6. Рекомендации по применению буроинъекционных свай. - М., НИИОСП им. Гер-севанова, 1997. - 32 с.
7. СП 50-120-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов / Госстрой России. - М.: 2004. -82 с.
8. Тер-Мартиросян З.Г., Еремин В.Я., Буданов A.A. О повышении несущей способности свай, изготовляемых по разрядно-импульсной технологии //Информационный научно-технический журнал Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2004. № 1(60). - с. 60-62.
9. Зельманов И.Л., Колков О.С., Тихомиров A.M., Шацукевич А.Ф. Об электровзрыве в песчаном грунте. ФГВ, 1968, № 3, с. 408-413.
10. Еремин В.Я., Еремин A.B., Буданов A.A. К расчету висячих свай, устраиваемых с использованием разрядно-импульсной технологии. / Труды Международной научно-технической конференции (3-5 октября 2006 г. Уфа) Проблемы механики грунтов и фун-даментостроения в сложных грунтовых условиях. Том 1. Уфа, 2006, с. 76-79.
11. Еремин В.Я., Еремин A.B., Буданов A.A. Зона уплотнения грунта вокруг камуф-летного уширения сваи, полученного серией электровзрывов (к расчету свай-РИТ). / Труды Международной научно-технической конференции (3-5 октября 2006 г. Уфа) Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях. Том 1. Уфа, 2006, с. 80-84.
12. Тер-Мартиросян З.Г., Еремин В.Я., Буданов A.A. Обоснование методики расчета несущей способности грунта под нижним концом висячих свай-РИТ. / Материалы Ara-демических чтений по геотехнике (22-23 ноября 2006 г. Казань) Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики механики грунтов и фунда-ментостроения. Казань, 2006, с. 122-131.
13. Еремин В.Я., Буданов A.A. Деформируемость песчаных грунтов при изготовлении свай по разрядно-импульсной технологии (РИТ) // Научно-технический журнал Вестник МГСУ - 2006. № 1. - с. 150-163.
14. Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности (сваи-РИТ). ТР 50-180-06.-М.: ООО «УИЦ «ВЕК», 2006. - 68 с.
