CC BY
7УДК 624.15:692.115+624.139
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПЕСЧАНОГО ОСНОВАНИЯ КОРОТКИХ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ ИЗ НАПРЯГАЮЩИХ БЕТОНОВ В БОЛЬШОМ ГЕОТЕХНИЧЕСКОМ ЛОТКЕ И ПРИ ПОМОЩИ ПК РЬАХК 2Б
А.Н. НЕВЕЙКОВ, В.Н. ДЕДОК (Белорусский государственный университет транспорта, Гомель)
Представлена оценка напряженно-деформированного состояния и несущей способности бурона-бивных свай из напрягающих бетонов по результатам натурных исследований в большом геотехническом лотке и численного моделирования в ПК Р1ах1& 2Б. Дано краткое описание методики проведения натурных экспериментов и создания их конечно-элементных моделей в ПК Р1ах1& 2Б на основе упруго-пластической модели Мора - Кулона. Выводы базируются на сопоставлении результатов натурных исследований буронабивных свай и данных численных расчетов в ПК Р1ах1& 2Б.
Ключевые слова: буронабивная свая, напрягающий бетон, несущая способность, численное моделирование.
Состояние вопроса. Ограниченность территорий для строительства в черте города, высокая их стоимость вынуждают уплотнять существующую застройку, повышать этажность зданий, что сопровождается ростом нагрузок на фундаменты. Эти обстоятельства предъявляют повышенные требования к надежности работы оснований и фундаментов и не позволяют использовать фундаменты, возводимые в открытых котлованах, забивные и некоторые виды набивных свай без дополнительных мероприятий, даже при залегании у поверхности сравнительно прочных грунтов. Эффективным решением данной проблемы является применение буронабивных свай. Их применение в указанных условиях требует поиска путей повышения эффективности таких свай, одним из которых является применение бетонов и растворов на напрягающем цементе (далее - НЦ) [1-3]. Их применение обусловлено благоприятными условиями, создаваемыми грунтом для расширения и твердения бетона [3]. Расширение ствола сваи создаст дополнительное давление на грунт и снизит разуплотнение скважины, улучшит контакт сваи с грунтом, и как следствие, повысит её несущую способность [4-6].
Опыт применения безусадочных и напрягающих бетонов показал свою эффективность для буро-набивных свай в твердых глинах и скальных грунтах [1; 2], обеспечив существенное повышение несущей способности. Однако очевидно, что проблема применения свай из бетонов и растворов на НЦ не может быть сведена к подбору приемлемого состава бетона, она не может быть эффективно решена без рассмотрения напряженно-деформированного состояния (далее - НДС) сваи и основания в процессе ее изготовления, твердения и работы под нагрузкой. Хотя натурные исследования по определению несущей способности и деформативности буронабивных свай и обладают наибольшей достоверностью, однако требуют значительных временных и материальных затрат.
В связи со сказанным выше и благодаря стремительной компьютеризации широкое применение в геотехнике получил прогноз несущей способности и деформативности оснований фундаментов численным моделированием. Перспективность решения таких задач при исследовании НДС оснований и фундаментов значительно повысилась.
В работе [6] представлены результаты экспериментальных исследований коротких буронабивных свай из бетонов и растворов на напрягающем цементе в большом геотехническом лотке, заполненном песком мелким маловлажным средней плотности с характеристиками р = 1,69... 1,71 г/см3; р5 = 2,66 г/см3; е = 0,70.0,72; ф = 32,4...32,6°; с = 2,4.2,8 кПа; Е = 8,1. 10 МПа при действии вертикальной статической нагрузки. Типы исследованных свай приведены в таблице 1.
Для изготовления буронабивных свай в работе [6] использовали бетон на портландцементе (расширение 0%), бетон на НЦ (расширение 2,2.2,3%) и раствор на НЦ (расширение 4,5.4,6%). Коэффициент продольного армирования свай составлял р/ ~ 0,01 при защитном слое бетона 50 мм. Нижние части свай высотой 450.500 мм в сериях 1, 2, 3 и 250.300 мм в серии 4 не армировали из условия ограничения вертикальных перемещений ствола менее сдвиговой осадки и для обеспечения свободного расширения бетона и раствора на НЦ, уплотнения грунта под торцом и (или) по боковой поверхности. Однако в работе [6] практически не затронуты вопросы НДС самой сваи и их оснований при изготовлении и твердении, которые и определяют работу сваи при нагружении.
Методика исследования. Для уточнения полученных ранее данных [6] о влиянии напрягающих бетонов и растворов на несущую способность буронабивных свай при действии вертикальной статической нагрузки, для уточнения НДС оснований таких свай при расширении ствола и последующей проверки полученных расчетных зависимостей [7; 8] выполнено численное моделирование их работы
в ПК Plaxis 2Б методом конечных элементов. Данный ПК хорошо зарекомендовал себя при решении задач о НДС свайных фундаментов [9; 10; др.] - получено хорошее соответствие результатов расчета экспериментальным данным.
Таблица 1. - Типы испытанных (моделируемых) свай в каждой из серий
Серия
№ 1
№ 2
№ 3
№ 4
Конструкция сваи в серии
свая-штамп
Марка сваи в серии
СТП-1-1
СНП-1-3
СТД-1-2
СТП-2-5
СТО-3-9
СНД-1-4
СНП-2-7
СНО-3-10
СРНШ-4-11; СРНШ-4-12
СРНП-4-13*, СРНО-4-14*
Сокращения и обозначения, аналогичные [6]: С - свая; Т - бетон на портландцементе; Н - бетон на НЦ; РН - раствор на НЦ; П - полость под торцом; Д - динамометр под торцом; Ш - свая-штамп; О - обычная свая. Число - серия и порядковый номер в [6] и данной работе; * - только для численного расчета.
динамометром
Натурные измерения НДС грунта от расширения бетонов и растворов на НЦ, отраженные ранее в работе [6], выполняли для свай 1-й серии 0315 мм в большом геотехническом лотке в соответствии
с рисунком 1. Измерение величин давления в грунте произво-
ОПЛГ7 />/?ЛЛ и
дили месдозами, перемещений - при помощи вертикальных и горизонтальных грунтовых марок с индикаторами часового типа ИЧ-10 и прогибомерами 6ПАО. Для снятия показаний месдоз использовали опробованную в работах [11; 12 и др.] тензометрическую станцию «Тисса». По величине горизонтальных и вертикальных перемещений марок судили об изменении плотности сложения грунта по методике, основанной на методике Х.М. Моххамада [13]. Обобщенные результаты натурных экспериментальных исследований НДС грунта, не отраженные ранее в работе [6], для анализа и сопоставления результатов представлены ниже совместно с результатами численного моделирования НДС грунта в ПК Plaxis 2Б.
Численное моделирование работы коротких бурона-бивных свай выполнено в ПК Plaxis 2Б методом конечных элементов в осесимметричной постановке. Для создания конечно-элементных расчетных схем в ПК Plaxis 2Б использованы исходные данные и параметры, соответствующие реальным условиям эксперимента [6].
Для моделирования грунтов основания использовали упругопластическую модель Мора - Кулона, которая потребовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона V, удельного сцепления с, угла внутреннего трения ф и удельного веса грунта у. Для моделирования материала сваи (расчетная схема сваи в ПК Plaxis 2Б представлена на рисунке 2) применили линейно-упругую модель с жесткостными характеристиками бетона или раствора на соответствующем типе цемента. Взаимодействие конструкций с грунтом описывали через интерфейсные элементы.
Для моделирования условия загружения всей сваи или только боковой поверхности на торце сваи прочность ин-
Рисунок 2 -1Рас™я схема сваи терфейсов была принята равной Ши1 = 0,7... 0,8 или Ши1 « 0 в ПК Р1ахк 2Б ^ ^ ^
щебени
Рисунок 1. - Размещение месдоз (Д, М) и марок (В, Г) при измерении НДС грунта для свай 1-й серии на напрягающем бетоне
■ 0,7-0,В
■ 0,7-0,8 к,„,=0
•к
-Я-
П
соответственно, по боковой поверхности прочность интерфейсов принята равной Шй = 0,7. 0,8. Коэффициент принимался по рекомендации Руководства к программному комплексу Plaxis 2Б [14] с учетом результатов проведенных ранее модельных испытаний [3]. Создание сетки элементов велось в автоматическом режиме с ее локальным измельчением на контакте «свая - грунт».
В процессе моделирования выполняли оценку НДС околосвайного грунта от расширения бетонов и растворов на НЦ, несущей способности свай из бетонов и растворов на портландцементе (далее - ПЦ) и НЦ при работе на вертикальную нагрузку и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в большом геотехническом лотке.
Расчет производили в три этапа: 1) учет гравитационной нагрузки с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; 2) размещение сваи с учетом расширения бетона (раствора); 3) приложение вертикальной нагрузки.
Задание расширения бетона (раствора) на НЦ и загружение сваи осуществлялось объемным расширением (деформациями) тела сваи и в перемещениях соответственно и с учетом полученных ранее экспериментальных данных [4-6].
Результаты исследования и их анализ. Описанная выше методика исследования позволила решить задачи исследования работы буронабивных свай из различных типов бетона (раствора), а также исследовать процессы, происходящие в грунте в ходе расширения напрягающего бетона и статического на-гружения сваи. На рисунках 3-7 приведены результаты моделирования НДС свай СТД-1-2, СНД-1-4.
а б в
а - свая СТД-1-2 (осадка 20 мм); б - свая СНД-1-4 (расширение бетона); в - свая СНД-1-4 (осадка 20 мм)
Рисунок 3. - Распределение пластических точек вокруг вдавливаемых свай 1-й серии
а б в
- свая СТД-1-2 (осадка 20 мм); б - свая СНД-1-4 (расширение); в - свая СНД-1-4 (осадка 20 мм)
Рисунок 4. - Изополя перемещений в грунтовом массиве в зоне нижнего конца вдавливаемых свай 1-й серии
а
Емгам яч"-уу-]в2,ЗЭ '
а б в
а - свая СТД-1-2 (осадка 20 мм); б - свая СНД-1-4 (расширение); в - свая СНД-1-4 (осадка 20 мм)
Рисунок 5. - Изополя вертикальных напряжений в грунтовом массиве в зоне нижнего конца вдавливаемых свай 1-й серии с указанием их максимальные значений
давление, кПа О 50 100 150 200
2100
2550
3000
3450
1 1 1 1 /*
1 1 1 1
■ - Бытовое —Мессдозы .....ПК Plaxis
Рисунок 6. - Перемещение (а) и коэффициент пористости (б) грунта на расстоянии 350 мм от оси сваи и напряжения (в) в грунте под торцом от расширения ствола сваи СНД-1-4
105
я
i 75
gj 60
£ 45
§ 30 го
* 15 0
Бытовое
\
•f -V-мессдозы •'••ПК Plaxis
57 ^^
------- 16
150
300 450 600 расстояние от оси, мм
750
5 4
ш i
150
-о-Марки
йЗ.бЗ ■•■•ПК Plaxis
\ 1.31
'Vo.42 i
.... 0.13
300
450
600
расстояние от оси, б
0,725
о 0.720
0.715
Э-0.710
9 0.705
еяО.719
^^ 0718
0.713 0.717 '
0.711 -о-Марки ••••ПК Plaxis
750
150
300
450
600
750
расстояние от оси. мм
Рисунок 7. - Напряжения (а) и перемещения (б), коэффициент пористости (в) в грунте в радиальном направлении от оси расширяющегося ствола свай СНП-1-2 и СНД-1-4 соответственно
По результатам проведенных исследований и моделирования буронабивных свай в таблице 2 приведены характерные данные, показывающие распределение нагрузок между пятой и боковой поверхностью свай; на рисунке 8 представлены графики «нагрузка - осадка» свай 1 „.4-й серий на вдавливание.
б
а
в
а
в
Таблица 2. - Основные результаты испытания (моделирования) коротких буронабивных свай
Серия Диаметр/ длина Шифр сваи Максимальное усилие, кН Перемещение, мм Среднее сопротивление грунта, кПа
по боковой поверхности на торец на сваю боковой поверхности торца, сваи по боковой поверхности (т) под торцом (о)
1 0315/1900 СТП-1-1 22,8 (18,7) - - 7,5 (3,1) - 12,1 (9,9) -
СТД-1-2 21,3 в) 31,5 (29,3) б) 52,8 (47,0) 20 (20) 11,4 404,3 (377)
СНП-1-3 30,0 (26,5) - - 8,6 (5,1) 15,8 (14,1) -
СНД-1-4 27,5 в) 35,0 (32,5) б) 62,5 (59,0) - 20мм (20) 14,6 449,2 (418)
2 0205/1900 СТП-3-5 15,0 (12,7) - - 7,2 (3,0) - 12,3 (10,6) -
СНП-3-7 19,5 (17,7) - - 8,1 (5,5) - 15,9 (14,4) -
3 0205/1900 СТО-3-9 14,5 а) 13,8 б) (14,3)б) 28,3 (27,0) - 20 (20) 11,8 418,2 (433)
СН0-3-10 19,0 а) 15,5 б) (15,8)б) 34,5 (33,5) - 20 (20) 15,6 469,8 (479)
Среднее значение для свай на обычном бетоне 11,8 (10,3) 408,5 (398,0)
Среднее значение для свай на напрягающем бетоне 15,4 (14,3) 456,9 (448,5)
Средний прирост, % 23,7 (38,3) 11,8 (12,7)
4 0205/1900 СРН-Ш-4-11 22,5 15,9 - 9,0 20 18,4 481,9
СРН-Ш-4-12 21,5 16,4 - 9,2 20 17,6 497,1
СРН-П-4-13 (20,5) - - (5,4) - (16,7) -
СРН-О-4-14 - (16,5)б) (37,0) - (20) - (500,1)
Среднее значение для свай на напрягающем растворе 18,0 (16,7) 489,5 (500,1)
Средний прирост, % 48,8 (62,1) 19,0 (25,7)
Примечания: 1. Значение в скобках получено по данным численного моделирования в ПК Р1ах18 2Б. 2. В таблице приняты следующие сокращения и обозначения: а) - среднее значение по предыдущим испытаниям серии [6] по каждому типу бетона; б) - разность общей нагрузки и нагрузки на боковую поверхность для сваи с полостью; в) - разность общей нагрузки и нагрузки на торец (по показаниям тензодинамометра); С - свая; Т - бетон на ПЦ; Н - бетон на НЦ; РН - раствор на НЦ; П - полость под торцом; Д - динамометр под торцом; Ш - свая-штамп; О - обычная свая; число - серия и порядковый номер сваи.
Результаты испытаний и численных расчетов позволили сформулировать выводы, которые согласуются с ранее сделанными выводами в работах [3; 6]:
- расширение бетонов и растворов на НЦ в нижней части свай, свободных от армирования, близко к свободным деформациям контрольных образцов [3; 6];
- расширение бетона и раствора на НЦ обеспечило ранее включение торца в работу, повысило сдвиговую осадку сваи за счет обеспечения плотного контакта ствола сваи с грунтом и преднапряжения грунта сваей;
- расширение бетона и раствора на НЦ обеспечило прирост давления на грунт боковой поверхностью ствола в нижней части сваи не менее 45 кПа, а по торцу - не менее 130 кПа;
- нагрузка, воспринимаемая боковой поверхностью свай в серии 1, оказалась незначительно ниже определенной по теории приближенного моделирования [9], что связано с отклонением размеров свай и влиянием масштабного фактора;
- сопротивление грунта свай из бетона на НЦ в 1, 2, 3-й сериях по боковой поверхности возросло на 24.38%, по торцу на 11. 13% по сравнению с бетоном на ПЦ;
- общая нагрузка на сваи из бетона на НЦ в 1, 2, 3-й сериях повысилась на 18.20% по сравнению с бетоном на ПЦ, невысокое значение которой объясняется «рыхлым» грунтом и небольшой долей нагрузки, воспринимаемой боковой поверхностью сваи (около 50%);
- сопротивление грунта свай из раствора на НЦ в 4-й серии возросло по боковой поверхности на 48.62%, по торцу - на 19.26% по сравнению с бетоном на ПЦ, что объясняется высоким расширением раствора в 4-й серии (4,6%) по сравнению с бетоном в 1, 2, 3-й сериях (2,3%) и армированием свай узким центрально расположенным каркасом;
- испытания свай 4-й серии показали более высокую эффективность армирования свай центрально расположенным узким каркасом (одним стержнем) по сравнению с армированием стандартным пространственным каркасом (серии 1.3), что объясняется увеличенным защитным слоем бетона и, как следствие, повышенным перемещением стенок скважины и давлением на грунт;
- взаимодействие бетона и раствора на НЦ и песчаного основания приводит к образованию упрочненной менее влажной зоны грунта с незначительным повышением плотности сложения при расширении бетонов и растворов, которые отводят воду от стыка двух сред для потребления влаги на образование эттрингита, что также сказывается на повышении сопротивления грунта по боковой поверхности и торцом;
- полученные расчетом по МКЭ в P1axis 2Б результаты значений несущей способности свай отличаются на 5. 25% от значений, полученных при натурных испытаниях в большом геотехническом лотке, что свидетельствует о необходимой достоверности испытаний. При этом следует отметить существенное отличие в величине напряжений, возникающих в грунте вокруг ствола сваи, свободного от армирования (разбежка составляет 30.45%), что можно объяснить релаксацией напряжений при расширении бетонов и растворов и отсутствием разуплотнения грунта при моделировании, которая не учитывается выбранной моделью грунта Мора - Кулона при численном моделировании;
- применение ПК P1axis позволяет получить полное представление о НДС сваи и грунта в виде изополей перемещений и напряжений, распределения пластических точек, отношений действующих касательных напряжений к предельным, а также построить графики зависимости осадок и перемещений точек грунта от нагрузки.
Заключение. Проведенные экспериментальные исследования в большом геотехническом лотке и численным моделированием в ПК P1axis 2Б показали эффективность применения бетона и раствора на НЦ для изготовления буронабивных свай и позволили оценить напряженно-деформированное состояние оснований буронабивных свай из бетонов и растворов на НЦ и их влияние на несущую способность, деформативность оснований таких свай.
На основе выполненных в представленной работе исследований для устройства свай наиболее целесообразно применять растворы на НЦ как обладающие значительным расширением. Бетон и раствор на НЦ рекомендуется применять для преднапряжения грунта в нижней части буронабивных свай, свободных от армирования, и для устройства буроинъекционных свай с буровыми высокопрочными трубчатыми штангами «Титан», «Атлант» и другими или буронабивных свай с узким каркасом, что подтверждено 4-й серией испытаний и результатами натурных испытаний [15]. Применение бетона и раствора на НЦ в таких сваях обеспечит эффективное использование деформаций расширения ствола сваи для плотного контакта с основанием, что приведет к повышению сопротивлений грунта по боковой поверхности и под торцом сваи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Особенности применения свай в Восточной Сибири / Ю.Н. Козаков [и др.]. - Красноярск : Стройиздат, 1992. - 268 с.
2. Sheikh, S.A. Expansive cement concrete for drilled shafts / S.A. Sheikh, Y. Fu, M.W. O'Neill // ACI material journal. - 1993. - V. 91. - P. 237-245.
3. Пойта, П. С. Эффективность применения напрягающих бетонов для изготовления свай в построечных условиях / П.С. Пойта, А.Н. Невейков // Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса : материалы II междунар. науч.-практ. конф. - Гомель : БелГУТ, 2008. - С. 251-252.
4. Невейков, А.Н. Эффективность применения напрягающих бетонов для изготовления буронабивных свай / А.Н. Невейков, П.С. Пойта // Вестн. БрГТУ. - 2009. - № 1. Строительство и архитектура. -C. 32-36.
5. Невейков, А.Н. Напрягающий бетон и буронабивные сваи / А.Н. Невейков // Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса : материалы IV междунар. науч.-практ. конф. - Гомель : БелГУТ, 2010. - С. 252-253.
6. Невейков, А.Н. Экспериментальные исследования несущей способности буронабивных свай из напрягающего бетона / А.Н. Невейков // Ресурсоеконмш матерiали, конструкцп, будiвлi та споруди : зб. наук. пр. - Ровно : РДУ, 2012. - Вип. 23. - C. 598-607.
7. Расчет напряженно-деформированного состояния ствола буронабивной сваи из напрягающего бетона / П.С. Пойта [и др.] // Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym : Praca zbiorowa -Czestochowa : Wydawnictwo Politechniki Czestochowskiej, 2009. - P. 250-258.
8. Невейков, А.Н. Взаимодействие буронабивных свай из обычных и напрягающих бетонов с грунтовым массивом / А.Н. Невейков, П.С. Пойта // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке научных кадров : сб. тр. XVII науч.-метод. семинара. - Гродно : ГГУ, 2010. - С. 202-207.
9. Пономарев, А.Б. Экспериментально-теоретические основы прогноза осадок и несущей способности фундаментов из свай распорной конструкции : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.02 / А.Б. Пономарев. - Пермь, 1999. - 32 с.
10. Тер-Мартиросян, А.З. Взаимодействие фундаментов зданий и сооружений с водонасыщенным основанием при учете нелинейных и реологических свойств грунтов : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.02 / А.З. Тер-Мартиросян. - М., 2016. - 42 с.
11. Драган, А.В. Трещиностойкость железобетонных элементов при действии осевых растягивающих усилий : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / А.В. Драган. - Брест, 2008. - 24 c.
12. Бондаренко, В.М. Сопротивление осевому сжатию сталетрубобетонных элементов с ядром из напрягающего бетона : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / В.М. Бондаренко. - Брест, 2010. - 24 с.
13. Моххамад, Х.М. Буроинъекционное упрочнение оснований зданий и сооружений при реконструкции : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.02 / Х.М. Моххамад. - Минск : БНТУ, 1998. - 20 с.
14. Plaxis. Справочное руководство. Версия 8. - СПб. : НИП-Информатика, 2004. - 182 с.
15. Невейков, А.Н. Применение расширяющихся бетонов и растворов для опытного устройства бурона-бивных и буроинъекционных свай в Республике Беларусь / А.Н. Невейков // Актуальные проблемы исследования материалов, конструкций, технологий и организации строительства в трансграничном аспекте : сб. ст. II междунар. конф. - Брест : БрГТУ, 2017. - C. 126-131.
Поступила 07.12.2017
INVESTIGATION OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE SANDY BASE OF SHORT BORED PILES FROM EXPANSIVE CONCRETE IN A LARGE GEOTECHNICAL TRAY AND WITH USING THE PLAXIS 2D PROGRAM
A. NEVEIKOV, V. DEDOK
The article defines the stress-strain state and load-bearing capacity of bored piles made of expansive
concrete based on field studies in a large geotechnical tray and of numerical tests simulation in Plaxis 2D program.
This article describes the routine full-scale experiments and their finite element schemes using Plaxis 2D program
and the elastic-plastic Mohr - Coulomb model. The implications are based on the comparative analysis of
the results obtained from the held studies of bored pile test and calculation data in Plaxis 2D program.
Keywords: bored pile, expansive concrete, bearing capacity, numerical simulation.
