Исследование несущей способности буроинъекционных свай в лёссовых просадочных грунтах, изготовляемых по технологии “пустотелого шнека“ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.131.384

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ «ПУСТОТЕЛОГО ШНЕКА»

В. Л .Седин, д. т. н., проф. , М. А. Моторный, к. т. н., доц., В. Ф. Рубанский, инж.

Ключевые слова: пустотелый шнек, обратная конусность, ствол сваи, отрицательное трение, несущая способность

Постановка проблемы. В процессе устройства буроинъекционных свай по существующим технологиям, в зависимости от способа их устройства, формируется разная поверхность сваи, как по продольному профилю, так и в поперечном сечении. В применяемой технологии пустотелого шнека зафиксировано и теоретически обосновано формирование конусности ствола по вертикальному профилю [1]. Этот фактор требует дополнительного изучения передачи сил трения грунта на боковую поверхность буроинъекционных свай. Исследование данного вопроса раскрывается в предлагаемой статье.

Согласно действующим нормативным документам по расчету и проектированию свайных фундаментов в лессовых просадочных грунтах (п.п. 8.1 — 8.2) [2; 3], при условии возможного замачивания просадочной толщи водой, расчетные значения характеристик Я(кПа); ДкПа), принимаемых по таблицам № 1, 2, 7. СНиП 2.02.03.-85 [3], а также Я, рассчитываемые по формулам № 12, 13 СНиП 2.02.03.-85 для буронабивных, буроинъекционных свай и свай оболочек, опирающихся нижним концом на песчаные грунты и крупнообломочные с песчаным заполнителем, силы трения на боковую поверхность следует принимать при показателе текучести глинистого грунта 1Ьсоответствующем полному водонасыщению, W=Wsat , т. е.:

Ж - Ж

I = I =-22._Е- (1)

1 Ь 1 Ь,т. I V1;

Е

где: 1Ь,,!ааг - показатель текучести водонасыщенного глинистого грунта; - влажность глинистого грунта при полном водонасыщении; ЖЕ - критическая влажность глинистого грунта на границе раскатывания; 1Е - число пластичности глинистого грунта.

Согласно разделу № 4, п. 4.1 СНиП 2.02.03-85 [2; 3], при определении несущей способности свай, прорезающих просадочные грунты, следует учтывать силы отрицательного трения грунта на боковую поверхность ствола сваи при проявлении просадочных деформаций. Для площадок, относящихся к первому типу грунтовых условий по просадочности

< 5 см),силы отрицательного трения грунта на боковую поверхность ствола сваи в связи с малостью просадки толщи от собственного веса грунта не учитываются и считаются равным Рп = 0. Для площадок, относящихся ко второму типу грунтовых условий по просадочности

> 5 см), несущую способность свай следует определять с учетом сил отрицательного трения грунта на боковой поверхности сваи по формуле № 32 [3]:

N =У-Ус ■ Рп (2)

Ук

где: ¥л - несущая способность сваи, определенная по формуле № 8 (для забивных свай) и формуле № 11 (для буронабивных, буроинъекционных свай и свай оболочек) с учетом требований п. № 8.6 СНиП 2.02.03-85;

у - коэффициент надежности, принимаемый согласно п. № 3.10 [3]; у - коэффициент условий работы основания, зависящий от величины просадки просадочной толщи

Рп — отрицательная сила трения проседающего лессового грунта на боковую поверхность сваи, определяемая по формуле № 33 [3]:

ы

Рп = иX • (3)

0

где: и - периметр участка ствола сваи;

Н.;1 - расчетная глубина (м), до которой производится суммирование сил отрицательного трения грунта от действия собственного веса Ря, принимаемая равной глубине, где значение просадки грунта от действия собственного веса грунта равняется 5,0 см.

т7 - расчетное сопротивление кПа (касательное напряжение при сдвиге), определяемое до глубины Ь = 6,0 м по формуле: т1 = Е • o^zgtgфI + С1;

где: £ - коэффициент бокового давления, принимаемый равным = 0,7;

ф1, С - расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления, осредненные по глубине Н^ и определяемые в соответствии с ГОСТ 12248-78 по методу консолидированного дренированного среза; при глубине 6.0 < Н < Н^ , значение т принимается постоянным и равным значению т на глубине Н = 6.0 м;

о^ - вертикальное напряжение от собственного веса водонасыщенного грунта, кПа; Н7 - толщина, м, 7-го слоя просадочного грунта оседающего при замачивании и соприкасающегося с боковой поверхностью сваи.

Анализируя формулы № 8, 11 СНиП 2.02.03-85 [3] по определению несущей способности свай (забивных, буронабивных или буроинъекционных), устанавливаем, что для определения составляющей несущей способности сваи формирующейся за счет сил трения грунта на боковой поверхности Я/ = и~^/с/7Ь7 указывается - £ - расчетное сопротивление 7-го слоя

грунта основания на боковой поверхности сваи (кПа), принимаемое по таблице № 2 СНиП 2.02.03-85. Отсюда следует, что при перемещении ствола сваи, вниз по вертикали грунт, окружающий ствол сваи, передавая трение на боковую поверхность ствола, удерживает сваю в рабочем, фиксированном положении, т. е. формируется составляющая несущей способности сваи Я/ [2; 3]. Причем расчетное сопротивление 7-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи /7, принимается по таблице № 2 СНиП 2.02.03-85 с учетом показателя текучести соответствующего полному замачиванию грунта (см. п. № 8.6, формула 31 СНиП 2.02.03-85) [3].

Сопоставляя аналогичный процесс передачи сил трения грунта на боковую поверхность ствола сваи (перемещение вниз водонасыщенного грунта при просадке лессовой толщи и передаче на неподвижную боковую поверхность ствола сваи сил отрицательного трения при том же физическом состоянии замоченного грунта 1ц= 1ь,шд, согласно СНиП 2.02.03-85 силы трения грунта на боковой поверхности сваи определяют по формуле (3), в которой, при визуальном восприятии, расчетное сопротивление 7-го слоя грунта/ - на боковой поверхности ствола сваи, принимаемое по таблице № 2 СНиП 2.02.03-85, заменено на т 7 с комментарием -расчетное сопротивление, кПа, определяемое на глубине Н = 6 м по формуле: т7 = Е • o^zgtgфI + С1 с недоговоркой, что за т1 принимается значение касательного напряжения

в грунте при сдвиге грунта по грунту, а не силы трения на боковой поверхности ствола сваи. Здесь имеется в виду, что перемещающийся при просадке (вниз) грунт не контактирует с боковой поверхностью ствола сваи, а контактирует с грунтовой оболочкой, образовавшейся вокруг боковой поверхности ствола сваи [4]. Тогда понятие силы отрицательного трения на боковую поверхность ствола сваи логически не воспринимается и не подтверждается. Численные определения параметра т I согласно формуле № 34 СНиП 2.02.03-85 [3] и сравнение полученных результатов расчета с данными таблице № 2 показывает, что полученное значение т 1 для заданного вида грунта и силы трения на боковой поверхности ствола сваи /7 разнятся примерно в пять - семь раз, причем т = (5 - 7) /7. Это, конечно, приводит к завышенным в (5 — 7) раз значениям сил отрицательного трения, Рп, на боковой поверхности ствола свай, что приводит к необоснованному снижению несущей способности сваи (или расчетной нагрузки на одну сваю), определяемой по формуле № 32 СНиП 2.02.03-85 [3] или по формуле (2).

В отдельных случаях, для площадок II типа грунтовых условий по просадочности с большой мощностью толщи Нд по данным расчетов получаются силы отрицательного трения Рп > Рс/Ук, (свая тонет и не держится в грунте).

По выполненным анализам эксплуатации зданий и сооружений, построенных на свайных фундаментах на площадках II типа грунтовых условий по просадочности по городу Запорожью и городах области, установлено[5], что за 60-летний период здания, построенные на свайных фундаментах, проектируемых по СниП П.Б.5-67 и СниП П-17-77, эксплуатируютя нормально.

Поэтому для выработки окончательных проектных решений силы отрицательного трения грунта Рп на боковой поверхности ствола сваи определяют путем статических испытаний свай выдергивающей нагрузкой.

Выполненные статические испытания буроинъекционных свай диаметром 620 мм на площадке строящегося 24-этажного здания многофункционального назначения показали [7]:

несущая способность сваи на выдергивающую нагрузку ¥в равняется: ¥в = 750 кН без локального замачивания грунта вокруг ствола сваи; ¥в = 120 кН с локальным замачиванием грунта вокруг ствола сваи. По данным расчетов, согласно формуле № 32, № 33 СНиП 2.02.0385 для этой же сваи получены: силы отрицательного трения Рп = 987,5 кН для характеристик водонасыщенного грунта. С = 16 кПа; ф = 23°; уа. = 18,8 кН/м3, Жа.= 0,30. Силы же трения водонасыщенного грунта на боковой поверхности сваи равны Я. = 110 - 120 кН по данным статических испытаний свай выдергивающей нагрузкой.

Анализ полученных расчетных данных показывает, что получаемые расчетным путем значения сил отрицательного трения Рп во много раз превосходят реально действующие силы, передаваемые на боковую поверхность ствола сваи при проявлении просадочных деформаций замачиваемых водой лессовых грунтов, окружающих сваю.

Поэтому и ставится вопрос учета сил отрицательного трения на боковой поверхности буроинъекционных свай, изготовляемых по технологии пустотелого шнека.

Учитывая технологические процессы при устройстве и формировании ствола буроинъекционных свай в просадочных грунтах, изготовляемых по технологии пустотелого шнека, установлено и теоритечески подтверждено [1] формирование конусности ствола сваи по вертикали с увеличением диаметра от забоя к устью скважины. При этом в зависимости от коэффициента анизотропии лессовых грунтов конусность может быть малая (7 < 0,025) и большая (7 > 0,025). Этот показатель непосредственно влияет на несущую способность сваи в деградированных (обводненных) лессовых грунтах, в которых просадочные деформации проявились до момента изготовления буроинъекционных свай. Сформированная конусность ствола сваи 7 < 0,025 и 7 > 0,025 на площадках II типа грунтовых условий по просадочности оказывает положительное влияние на несущую способность сваи, так как не допускает передачи сил отрицательного трения при просадке на боковую поверхность сваи в связи с тем, что вертикальное (вниз) перемещение грунта при просадке Ssl, q нарушает контакт проседающего грунта с конусным (вниз) стволом (грунт уходит от боковой поверхности конусного ствола и не передает пригружающее (отрицательное) трение на боковую поверхность ствола сваи.

Но в процессе нарушения контакта проседающего грунта с конусным стволом буроинъекционной сваи, изготовленной по технологии пустотелого шнека, изменяется напряженное состояние грунта вокруг конусного ствола буроинъекционной сваи. Это приводит в отдельных случаях к восстановлению контакта проседающего грунта с боковой поверхностью конусного ствола сваи.

В результате проявления указанных деформационных (просадочных явлений и горизонтальных деформаций грунта в межсвайном пространстве) процессов вокруг ствола буроинъекционной сваи, изготовляемой по технологии пустотелого шнека, возможно изменение напряженного состояния массива грунта вокруг ствола, что может привести к изменению несущей способности сваи. Если рассматривать указанный деформационный процесс во времени, то сохранение контакта грунта с конусной поверхностью ствола сваи возможно при соблюдении условия равновесия: скорость перемещения грунта (вниз) при проявлении просадки Ssl, q (V) и перемещение грунта к стволу сваи (V "), в связи с нарушением контакта, должны быть равны, т. е. V' = V".

Горизонтальная деформация грунта к конусному стволу сваи будет пропорциональна горизонтальному давлению грунта:

qa =

у.htg2(45-9)-2Csat • tg(45-9s

/cos a (4)

2 2

и определяется по условию беспрепятственного расширения по формуле:

*t(5)

t 2E

sat.гор

Вертикальная (вниз) просадочная деформащя, нарушающая контакт поверхности ствола с

грунтом может быть определена как просадка Ssl ^ Ssl h1 или как осадка обводненного лессового грунта от нагрузки собственного веса грунта:

0 ^ Н

т. е. должно выполняться условие равенства деформаций

ч • I

■ Н = -—- (при Ешг = Еш(го„ для обводненного грунта). (7)

= Ча • 1 о . Н = -

т-^ ' ^ ^а ^.гор.

Е„ . 2Е_,_ 2

Учитывая, что с увеличением влажности просадочных грунтов коэффициент их бокового давления, 2, возрастает, то в процессе их полного обводнения коэффициент бокового давления 2 стремится к стабилизированному значению, поскольку стабилизируются прочностные показатели обводненных лессовых грунтов С = /(№), стремится к СяМ, ф = /(№) стремится к фяаЛ, которые имеют меньшее значение, чем при природной влажности. Поэтому коэффициент

бокового давления 2, вычисляемый по формуле: Еа = tg2 (45 ) - 2СяЫ ■ tg(45 --2-),

увеличивается. Этот факт приводит к увеличению бокового давления просевшего лессового грунта на боковую поверхность ствола сваи.

Поэтому уместно считать, что в результате увеличения бокового давления обводненного лессового (просевшего в процессе обводнения) грунта проявляются горизонтальные деформации грунта, направленные от межсвайного пространства к конусному стволу сваи, чем обеспечивается полный контакт боковой поверхности конусного ствола буроинъекционной сваи с грунтом. Это доказывает, что составляющая несущей способности конусных (с обратной конусностью сверху вниз) буроинъекционных свай, изготовляемых по технологии пустотелого шнека, АЕс = ус (Н7 • ио7 • 7 • Е7 • к7 • Ег) остается без изменения, а сама несущая способность

буроинъекционных свай, изготовляемых по данной технологии (пустотелого шнека) без учета сил трения грунта на боковой поверхности сваи и отсутствия передачи на ствол сваи сил отрицательного трения, Рп, определяется по формуле [3]:

Ей =ус(Я • А + Ц,- 7р • Ег • кг •Ег • Н) , (8)

где: Ус - коэффициент условия работы сваи: при опирании сваи на пылевато-глинистые грунты со степенью влажности Бг < 0,9 и на лессовые грунты ус = 0,8; в остальных случаях

Ус = 1.

уся - коэффициент условия работы грунта под нижним концом сваи, который равняется

Уся =1.

Я - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи (кПа), принимается по таблице № 7 СНиП 2.02.03-85 при опирании нижнего конца сваи на пылевато-глинистые грунты и определяется по формулам № 12, № 13 СНиП 2.02.03-85 при опирании нижнего конца свай на песчаные грунты.

А - площадь опирания поперечного сечения ствола сваи; и - периметр 7-го поперечного сечения ствола сваи;

ио7 - суммарный усредненный периметр поперечного сечения ствола имеющего конусность;

7р - конусность продольного профиля сваи в долях единицы;

Е7 - модуль деформации 7-го слоя грунта окружающего боковую поверхность сваи (кПа) по результатам компрессионных испытаний;

К - коэффициент, зависящий от вида грунта окружающнго сваю, принимается по таблице № 4.

2 - реологический коэффициент, принимаемый 2 = 0,8.

Выводы. На основании выполненного анализа материалов по передаче сил трения грунта на боковую поверхность сваи, работающей в лессовых просадочных грунтах, установлено:

1. В процессе проявления просадки просадочной толщи на площадке II типа грунтовых условий по просадочности на боковую поверхность ствола сваи, в том числе и на буроинъекционные сваи, передается отрицательное трение проседающего грунта, которое направлено вниз по стволу и дополнительно пригружает сваю, Рп.

2. Согласно действующему СНиП 2.02.03-85 [3], сила отрицательного трения Pn определяется по эмпирической формуле (33) СНиП 2.02.03-85 [3] в которой участвует tj -расчетное сопротивление, кПа, определяемое до глубины h = 6,0 м по формуле (34) СНиП 2.02.03-85 [3], вместо расчетного сопротивления i-го слоя грунта на боковой поверхности сваи f (кПа), которое принимается по таблице № 2 СНиП 2.02.03-85 [3].

3. Сопоставление расчетных данных по силам трения грунта на боковой поверхности сваи f и tj показано, что tj в (5 - 7) раз превышает f для обводненных лессовых грунтов. Это, в свою очередь, увеличивает силы отрицательного трения грунта на боковую поверхность ствола сваи и значительно снижает несущую способность сваи Fd или допускаемую нагрузку на сваю Nc , а в отдельных случаях приводит к нулевой несущей способности сваи Fd < 0.

4. Анализ материалов по эксплуатации зданий и сооружений, построенных на свайных фундаментах с прорезкой просадочной толщи (и не полной прорезкой просадочной толщи по СНиП II.Б.5-67, [6] СНиП II. 17-77) [2], показали нормальную и удовлетворительную эксплуатацию зданий и сооружений, без заметных отказов фундаментов. Поэтому предложенная СНиП 2.02.03-85 - формула для вычисления Pn - сил отрицательного трения проседающего грунта на боковую поверхность ствола сваи, а также расчетной нагрузки на одну сваю требует уточнения, так как приводит к неоправданному перерасходу материалов при проектировании свайных фундаментов на площадках II типа грунтовых условий по просадочности.

5. За счет формирования обратной конусности ствола буроинъекционных свай, изготовляемых по технологии пустотелого шнека силы отрицательного трения проседающего грунта на боковой поверхности таких свай не проявляются, пригрузка сваи отрицательным трением не происходит, так как при проявлении просадочных деформаций (вниз) теряется контакт проседающего грунта с конусной поверхностью ствола сваи [1]. Этот факт приводит к дополнительному увеличению несущей способности буроинъекционных свай, изготовляемых по технологии пустотелого шнека.

6. За счет изменения напряженного состояния грунта вокруг ствола сваи при потере контакта конусного ствола буроинъекционной сваи с проседающим грунтом происходит горизонтальная деформация просевшего грунта от межсвайного пространства к конусному стволу буроинъекционных свай, что восстанавливает контакт просевшего грунта с конусным стволом буроинъекционной сваи, а это дает право несущую способность сваи вычислять с учетом конусности ствола сваи [3].

7. Сравнение численных решений по определению несущей способности буроинъекционных свай, выполняемых по технологии пустотелого шнека с данными статических испытаний таких свай на вдавливающую и выдергивающую нагрузку, установлена высокая сходимость, равная 15 - 20, [7; 8].

Таким образом, на основании анализа изготовления и эксплуатации буроинъекционных свай, выполняемых по технологии пустотелого шнека, установлено, что за счет формирования конусности ствола сваи в процессе их изготовления силы отрицательного трения грунта при просадке не проявляются; за счет изменения напряженного состояния массива грунта вокруг конусного ствола сваи и проявления горизонтальных деформаций грунта к стволу сваи, контакт грунта с конусной поверхностью ствола сваи восстанавливается, несущая способность сваи по грунту и стволу не снижается, что ставит внедряемую технологию изготовления буроинъекционных сваи в разряд одной из самых рациональных в данных геологических условиях.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Моторный Н. А. Исследование причин изменения объема буроинъекционных свай в лессовых просадочных грунтах, изготовляемых по технологии пустотелого шнека / Н. А. Моторный, В. Ф. Рубанский, В. Л. Седин // Theoretical Foundations of Civil Engineering Polish - Ukrainian - Lithuanian. Transaction. № 18. Warsaw. September, 2010. - С. 385 - 392.

2. Свайные фундаменты. Нормы проектирования: СНиП II-17-77. - М. 1978. - 48 с.

3. Свайные фундаменты. Нормы проектирования: СНиП 2.02.03-85. - М. 1986. - 44 с.

4. Моторный Н. А. Выбор рациональных методов мелиорации лессовых просадочных грунтов как оснований фундаментов зданий и сооружений / Н. А. Моторный, Ю. В. Саенко;

Theoretical Foundations of Civil Engineering Polish - Ukrainian - Lithuanian. Transaction. № 15. Warsaw. May, -2007. - С. 479 - 488.

5. Маркова М. А. Особливосп спшьно1 роботи пальових фундаменпв та будiвель в умовах просадкових грунпв велико1 товщк автореф. дис. на соис. уч. степени к. т. н.: спец. 05.23.02 / ПДАБА. - Д., 2002. - 16 с. - Бiблiогр.: с 13(8).

6. Свайные фундаменты. Нормы проектирования: СНиП 11.Б.5-67*. - М., 1971. - 20 с.

7. Отчет по испытанию свай на площадке строительства многофункционального комплекса (жилой дом с торгово-офисными помещениями и паркингом) в районе дома № 166 по ул. Рабочей в г. Днепропетровске, объект № 272.03. I этап. 39 с.; ООО «Гидростройпрект»; г. Днепропетровск; II этап. 2009. - 29 с.

8. Отчет по полевым испытаниям опытных свай статическими нагрузками на площадке жилой застройки по ул. Гродненской, 22.» ООО «Гидростройпроект» г. Днепропетровск; Объект № 122.03. 2005. - 26 с.

УДК 624.131.543:624.137.

РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И КРЕНОВ ЗДАНИЙ НА СКЛОНАХ. ОПЫТ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНОГО СОСТОЯНИЯ.

В .Л. Седин, д. т. н., проф., С. И. Головко, к. .т .н., доц,С. Н. Горлач к. т .н., доц., А .С. Головко, н .с., В. А. Бижко, студ.

Ключевые слова: откос, устойчивость склона, осадки и крены зданий, усиление фундаментов, устранение аварийного состояния.

Постановка проблемы: В середине 1980-х годов в Днепропетровске под жилищное строительство были использованы площадки со сложными инженерно-геологическими условиями на склонах балок. Достаточного опыта проектирования оснований и фундаментов в случае залегания наклонных слоев, обладающих в верхней зоне просадочными свойствами, не было, в связи с чем на ряде объектов были получены серьезные строительные отказы, проявившиеся в аварийных отклонениях и повреждениях зданий. Применение эффективных методов усиления в случае аварийных отказов является актуальной задачей современного фундаментостроения. В статье на конкретных примерах даны общие решения указанной проблемы.

Актуальность работы. В настоящий момент проблема учета специфических свойств грунтов и строительных площадок обусловлена развитием на территории Украины высотного строительства, использованием в качестве оснований считавшихся ранее малопригодными для строительства или проблемных территорий, а также необходимостью решения экологических задач. В этой связи анализ накопленного опыта строительства и эксплуатации зданий на склоновых территориях имеет большое практическое значение.

В настоящей статье рассмотрены результаты длительных наблюдений за зданиями, опыт их усиления и технической реабилитации. Полученные результаты имеют значение при анализе геологических условий, выборе оптимальных вариантов устройства оснований и фундаментов, решении проблем эксплуатации зданий и их восстановления при получении каких-либо повреждений и строительных отказов. Методы восстановления оснований и фундаментов в просадочных и водонасыщенных грунтах не получилт должного распространения в практике строительства. На наш вигляд, это обусловлено недостаточной информированностью строителей и проектировщиков-практиков об имеющемся опыте восстановительных работ.

Научная и практическая новизна. Выполненные длительные наблюдения за зданиями с различными типами фундаментов позволяют на стадии проектирования провести достаточно четкий анализ условий строительства и применить адекватные методы обеспечения надежности эксплуатации зданий и сооружений. Экспериментально опробованные технологические решения по усилению оснований зданий имеют высокую сходимость с теоретическими решениями и эффективность при усилении оснований инженерных сооружений в условиях реконструкции и ликвидации аварийных отказов оснований и фундаментов зданий и сооружений в различных инженерно-геологических условиях.

Основные результаты. Объект исследований - жилой 14 этажный дом возведен на склоне балки Рыбальская. Его основанием приняты висячие забивные сваи длиной 19 м, погруженные