CC BY
13СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 624.154.001.4
И. В. Носков, С. А. Ананьев, А. Г. Суртаев, В. В. Бессонов
Исследование работы свай винтовых конусно-спиральных при устройстве фундаментов шумозащитных экранов
Поступила 12.04.2019
Рецензирование 24.04.2019 Принята к печати 07.05.2019
В статье описываются проблемы борьбы с шумовыми воздействиями в современных городах (шум грузового автотранспорта, железнодорожных магистралей, технологического оборудования, расположенного рядом с жилыми и общественными зданиями). Самым эффективным способом борьбы с шумом является устройство защитных экранов с использованием шумопоглощающих материалов. Ввиду невозможности трассирования дорог и различных путей сообщения вдали от жилых и офисных зданий, монтирование шумозащитных конструкций экономически оправдано.
Приведено сравнение вариантов устройства фундаментов шумозащитных экранов классическим способом (железобетонный ростверк на буронабивных сваях, монолитный железобетонный фундамент мелкого заложения) и с применением свай винтовых конусно-спиральных (СВКС). Выявлены основные недостатки устройства фундаментов классическим способом и преимущества фундаментов на СВКС.
Фундаменты шумозащитных экранов испытывают значительные горизонтальные нагрузки, вызванные в основном воздействием ветра. В статье приведены результаты аналитических расчетов СКВС на действие горизонтальных нагрузок в различных грунтовых основаниях, с использованием закономерностей взаимодействия системы «свая - грунт».
В статье освещены три возможных варианта заглубления СКВС. В случае мелкого заглубления при глубине погружения (завинчивания) не более 1,5-2,0 м установлено, что СВКС работает как короткий жесткий стержень, который своим поворотом вокруг неподвижной точки вызывает только деформацию грунта. Несущая способность СВКС при этом в два с лишним раза больше по сравнению с обычными сваями. Если СВКС погружается (завинчивается) на глубину более 2,5 м, чем обуславливается более прочная заделка винтовых лопастей, то характер работы СВКС на горизонтальную нагрузку практически не отличается от работы обычных свай глубокого заложения. При глубине погружения СВКС на глубину 3,5 м и более максимальную нагрузку обычно лимитирует не несущая способность грунтового основания, а прочность ствола сваи.
Ключевые слова: свая, грунт, фундамент, шум, экран, свая винтовая конусно-спиральная, несущая способность, сжимающая нагрузка, горизонтальная нагрузка, ветровая нагрузка, шу-мозащитный экран.
В настоящее время в современных городах остро стоит проблема борьбы с шумовыми воздействиями. К ним относится шум от грузового автотранспорта, железнодорожных магистралей, технологического оборудования и механизмов, используемых при строительстве, воздействующий на расположенные рядом жилые и общественные здания. На сегодняшний день одним из самых эффективных способов борьбы с негативными шумовыми воздействиями является устройство защитных экранов с шумопо-глощающими материалами (рис. 1).
Установка таких конструкций экономически обоснована в густонаселенных районах, где трассирование дороги на расстоянии от жилых и офисных зданий невозможно.
Возможна обратная ситуация, когда ранее построенная дорога застраивается новыми жилыми массивами. Помимо шумозащитной функции, экраны в разной степени выполняют и экологическую функцию, защищая расположенные рядом территории от дорожной пыли и грязи в осенне-весенний период и от ослепления фарами (в случае установки непрозрачных шумовых экранов). Таким образом, даже при нахождении жилого массива в непосредственной близости от оживленной автомобильной трассы есть возможность создать тихий жилой район, что позволяет более эффективно расходовать городскую землю.
В настоящее время основными типами фундаментов при устройстве шумовых экранов яв-
Рис. 1. Примеры устройства
ляются монолитный железобетонный ростверк на буронабивных сваях (рис. 2) и монолитные железобетонные фундаменты (рис. 3). Основными недостатками данных типов конструкций фундаментов являются: значительная трудоемкость устройства, многодельность работ, сезонность работ и, главное, невозможность их демонтажа при переносе шумовых экранов на новые места их установки.
Всех этих недостатков нет у фундаментов из свай винтовых конусно-спиральных (рис. 4). Сваи винтовые конусно-спиральные (СВКС) обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с вышеназванными технологи-
шумозащитных экранов
ями: высокой скоростью и низкой трудоемкостью монтажа, безударностью погружения, возможностью установки свай в труднодоступных местах, отсутствием земляных работ, возможностью круглогодичного ведения строительно-монтажных работ, высокой антикоррозионной защитой свай [1, 2].
Для городских территорий особенно важна и экологическая составляющая: отсутствие земляных работ и простота полного демонтажа данного типа фундамента сводят к минимуму воздействие на окружающую среду при возведении и переносе на новые места шумовых экранов.
подгооювка бетон В10
Рис. 2. Железобетонный ростверк на буронабивных сваях
о m
Рис. 3. Монолитный железобетонный фундамент мелкого заложения
Рис. 4. Разновидности СВКС для шумозащитных экранов
Данные преимущества делают экономически и экологически целесообразным применение СВКС для устройства фундаментов шумозащитных экранов.
Сегодня основным сдерживающим фактором применения СВКС для устройства фундаментов шумозащитных экранов остается недостаточная изученность их совместной ра-
боты. Различия в видах, конфигурациях и размерах как шумозащитных экранов, так и СВКС значительно влияют на характер их совместной работы в различных климатических и инженерно-геологических условиях.
Основная часть
Фундамент шумозащитного экрана испытывает в основном значительные горизонтальные нагрузки, вызванные воздействием ветра. Проведенные лабораторные испытания на разных моделях СВКС и полевые натурные испытания [3] позволили сделать выводы о том, что при воздействии на СВКС горизонтальной нагрузки следует различать три вида их работы (поведения) в грунте.
В случае мелкого заглубления, при глубине погружения (завинчивания) не более 1,5...2,0 м, СВКС работает как короткий жесткий стержень, который своим поворотом вокруг неподвижной точки вызывает только деформацию грунта. Несущая способность СВКС при этом в два с лишним раза больше, чем у обычных свай.
Если СВКС погружается (завинчивается) на глубину более 2,5 м, то характер ее работы на горизонтальную нагрузку практически не отличается от работы обычных свай (забивных, буронабивных и т. п.).
При глубине погружения СВКС на глубину 3,5 м и более максимальную горизонтальную нагрузку обычно лимитирует не несущая способность грунтового основания, а прочность ствола сваи [3, 4].
В работе Б. В. Бахолдина и Е. В. Труфано-вой [5], посвященной изучению особенностей взаимодействия свай с грунтом основания, представлены альтернативные методы расчета свайных фундаментов.
На основании обобщения многочисленных опытных данных для напряжений, возникающих по боковой поверхности свай при горизонтальном их нагружении, рекомендовано принимать:
Ф) =
■и(г), (1)
°ии(.2) + ко(г)и(г) где ои^(г) - предельное реактивное давление, МПа; ко(г) - начальный коэффициент горизонтальной сопротивляемости грунта; и(г) -перемещение сваи на глубине г.
Из данного условия следует, что напряжение отпора грунта или реактивное давление грунта на боковой поверхности сваи при ее горизонтальном нагружении находится в прямой зависимости от их предельных значений.
При горизонтальном нагружении СВКС основное сопротивление грунт оказывает в верхней ее части, а в нижней оно проявляется лишь на больших глубинах. Кроме того, верхняя зона грунта с увеличением нагрузки становится больше и смещается вниз.
Одновременно СВКС совершает некоторый поворот, что является одним из важных факторов, которые необходимо учитывать при разработке методов расчета свай этого вида. Из экспериментальных данных следует, что зависимость перемещения сваи от нагрузки нелинейная [3, 6, 7].
Закономерности взаимодействия системы «свая - грунт» предлагается рассматривать в классическом полупространстве Ренкина с учетом установленной необходимости оценки сопротивления сваи на всех этапах ее горизонтального нагружения.
Сваю в полупространстве Ренкина в первом приближении предлагается рассматривать как плоский стержень, к которому в верхней ее части (голова сваи) приложена горизонтальная сила Q (рис. 5). За начало координат принимается точка приложения силы.
Учитывая, что для каждой плоскости можно отбросить вышележащую часть грунтовой среды и рассматривать эту плоскость как граничную поверхность, вводя параметр Ос, учитывающий сцепление глинистых грунтов, решение о напряженном состоянии в полупространстве будет иметь вид
1 — sm ф
ох = (уг + Ч)—-:-+ ос
1 + ш2 sm ф
(2)
о2=уг + тху = 0, где у - удельный вес грунтовой среды; -коэффициент, рассматриваемый как показатель пластичности, изменяющийся от -1 до 1 ; ф - угол внутреннего трения грунта.
Наличие у глинистых грунтов сцепления с в расчетах можно моделировать путем приложения по поверхности рассчитываемой грунтовой среды нагрузки д: ц = с/ tgф.
а)
б)
Рис. 5. Схема для расчета сваи при действии на нее горизонтальной нагрузки в классическом полупространстве Ренкина (а) и напряженное состояние грунта на стволе сваи (б): Q - горизонтальная сила; q - нагрузка, моделирующая сцепление грунта; ф - угол внутреннего трения грунта; Н - длина сваи, м; Ев - равнодействующая сил отпора грунта на грани ОБ призмы ОВСБ;
Ек - отпор грунта в нижней части сваи
Поэтому значение ас при г < к следует определять с учетом этого обстоятельства:
^Л-с^ифЧ. (3)
tgф \1 + 8Шф ) При = 1 напряжение на стволе сваи Охо, Охл и Охв в точках О, А и В ствола сваи соответственно можно принять:
F =
Yh2
1 +
1 — sinф
(6)
G
хО
= Gr
1 — sin ф
= Yh---+ Gc
r 1 + sin ф c
(4)
GxB
h
Y2+ Gc
4 V 1 + зтф Глубина приложения равнодействующей Е от начала координат в общем случае зависит от к и может быть принята = ак , где а - коэффициент изменяющийся от 1/2 до 2/3.
При известных Е и а максимальный изгибающий момент Мтах в свае при ее горизонтальном нагружении определяется выражением [8, 9]
Мп
= ahQ.
(7)
Допуская возможность линеаризации и осреднения изменения напряжения между указанными точками, суммарное сопротивление грунта Е при передаче на него нагрузки Q определяется выражением
„ к/а*о + а*в , а*в +
~2 ( 2-+ ""Г"
к
= 4(а*о + 2а*в + а*л). (5)
Для песчаных грунтов при с = 0 имеем
Перемещение головы сваи U при действии на нее нагрузки Q предлагается определять по перемещению точки B от действующих в плоскости z = h/2 избыточных напряжений по сравнению с ранее действующим минимальным их значением:
=
g*B — G.
2£
■ь,
(8)
где ахВ - напряжение в точке В; ах т!П - ранее действующее напряжение, соответствующее
минимальному напряжению в плоскости z = h/2; E - модуль деформации грунта.
Размер зоны b можно определить из условия равновесия призмы OBCD, принимаемой согласно [10]:
FB = b[c+^htg^) + F:
2
(9)
или
Ъ =
Fn-F,
, Yh.
c + ^tgy
где Ев - равнодействующая сил отпора грунта на грани ОВ призмы ОВСБ; Ех шт - равнодействующая сил минимального напряжения на грани СБ призмы ОВСБ.
В песчаных грунтах
1 к /к\ 1 — smф
РВ = ^ахВ^'> Рх тт = УЫ Т , ■ . (10)
2 2 \2/ 1 + sinф
Перемещение головы сваи и в песчаных грунтах
ук2 ( 1 к--
U = 2UB= ,
в 8Etgq{
Бтф
(11)
1 + 5ШфУ
Таким же образом предлагается оценивать максимальный изгибающий момент в СВКС при действии на них горизонтальной нагрузки Q и перемещение их верхней части (головы сваи). Для этого необходимо знать глубину расположения точки защемления сваи в грунте, а также отпор Ек грунта в нижней части сваи. При абсолютно жестких сваях максимально возможный отпор грунта Ек можно определить полной призмой отпора. Однако фактический отпор грунта в каждом конкретном случае будет меньше, так как он реализуется грунтом лишь по мере необходимости.
При работе СВКС отпор грунта будет реа-лизовываться не в районе нижнего конца, а на всем протяжении участка сваи АК. При оценке распределения удельного давления отпора вдоль участка АК можно утверждать, что его
значение будет увеличиваться с глубиной от нуля в точке А. Поэтому равнодействующая отпора Ек, если принять возрастание линии, будет располагаться на расстоянии (Н- И)/3 от нижнего конца сваи, при условии что горизонтальное напряжение в грунте около нижнего конца сваи ак будет выше максимального.
Расчеты по оценке сопротивления горизонтальному нагружению СВКС предлагается свести к решению уравнений: %МА = 0; ЪЕх = 0.
Для песчаных грунтов имеем ^MA = Qh — Рк(1 — а) — 2/3Ек(Н ZFx = Q—F + Fk = 0,
(12)
h) = 0, (13)
F =
Yh2
1 +
1 — smф
4 V 1 + smф Для глинистых грунтов %MA = Qh — Fh(1 — а) — 2/3Fk(H ■ J1Fx = Q—F + Fk = 0, h
F =-^(°xO + 2°xB + °XA).
h) = 0, (14)
Выводы
1. Применение СВКС в качестве фундаментов шумозащитных экранов экономически оправдано, значительно эффективней и экологичней существующих классических методов фундирования.
2. Теоретически и экспериментально обоснована работа СВКС в грунтах при различной глубине их погружения (завинчивания).
3. Предложена методика оценки сопротивления горизонтальному нагружению, максимального изгибающего момента в СВКС при действии на них горизонтальной нагрузки Q и перемещения их верхней части (головы сваи), для которой необходимо знать глубину расположения точки защемления сваи в грунте и отпор грунта в нижней части сваи.
Библиографический список
1. Носков И. В., Халтурин А. Ю. Методика и результаты полевых испытаний винтовых свай // Изв. вузов. Стр-во. 2011. № 1. С. 121-126.
2. Носков И. В., Швецов Г. И. Исследование работы многолопастных винтовых свай в грунтовых условиях Верхнего Приобья // Вестник отделения строительных наук / Мин-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. ; ред. кол. А. А. Волков (и др.). М. : МГСУ, 2014. Вып. 18. С. 54-59.
3. Носков И. В., Заикин И. В., Копылов А. В. Натурные испытания многовинтовых свай на действие горизонтальных сил и моментов в песчаных грунтах Алтайского края // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. 2014. № 1. С. 116-121.
4. Пенчук В. А. Винтовые сваи и анкеры для опор. Киев : Будiвельник, 2015. 96 с.
5. Бахолдин Б. В., Труфанова Е. В. Сопротивление свай горизонтальным нагрузкам // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2010. № 6. С. 8-13.
6. О необходимости исследований работы винтовых свай и актуализации норм проектирования свайно-винтовых фундаментов / А. Г. Алексеев, С. Г. Безволев, П. М. Сазонов, А. А. Звездов // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 1. С. 43-47.
7. Акопян В. Ф. Испытания моделей винтовых свай // Инженерный вестник Дона. 2012. № 2. С. 29-32.
8. Прокопенко Д. В. Математическое и компьютерное моделирование несущей способности одиночной винтовой сваи с учетом уплотнения грунта // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. 2013. № 3. С. 47-51.
9. Щербаков В. С., Денисова Е. Ф. Система автоматизации моделирования процесса погружения винтовой сваи // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. № 3. С. 27-34.
10. Максимов Ф. А. Методика оценки крутящего момента при устройстве винтовых свай // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер.: Стр-во и архитектура. 2017. № 2. С. 14-18.
I. V. Noskov, S. A. Ananyev, A. G. Surtayev, V. V. Bessonov
The Study of Conical-Spiral Screw Piles when Arranging the Foundations of Noise Protective Screens
Abstract. The article describes the problems of noise control in the modern cities (noise of freight vehicles, railway lines, the processing equipment close to residential and public buildings) are described. The most effective way of fight against noise is the device of protective screens using noise-attenuating materials. Due to the impossibility of tracing roads and various means of communication away from residential and office buildings, , the installation of noise protection structures is economically justified.
Comparison of versions when arranging the foundations of noise protective screens in the classical way (a reinforced concrete grillage on bored piles, the monolithic reinforced concrete foundation of small laying) and with application of the conical spiral screw piles (CSSP) is described. The main shortcomings of the device of the bases and advantages of the bases on CSSP are revealed in the classical way.
The bases of noise screens the winds caused generally by influences experience considerable horizontal strain. In article results of analytical calculations of CSSP on action of horizontal loadings are given in various soil bases, with use of interaction regularities of the pile soil system.
Three possible options of CSSP deepening are covered in article. In case of small deepening with a depth of immersion (screwing up) no more than 1.5-2.0 meters are established that the CSSP works as a short rigid core which the turn around a motionless point causes only soil deformation. The bearing capacity of CSSP at the same time is more than twice more in comparison with usual piles. Also if the CSSP plunges (is screwed up) on depth more than 2.5 meters, than stronger seal of screw blades is caused, then the kind of work of a CSSP on horizontal loading practically does not differ from work of usual piles of deep laying. With a depth of immersion of a CSSP on depth of 3.5 meters and more, the maximum load is usually limited by not bearing capacity of the soil basis, and pile trunk durability.
Key words: a pile; soil; the base; noise; the screen; a conical spiral screw pile; bearing capacity; the squeezing loading; horizontal loading; wind load; the noise screen.
Носков Игорь Владиславович - кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ им. И. И. Ползунова. E-mail: noskov.56@mail.ru
Ананьев Сергей Анатольевич - ассистент кафедры «Технология и механизация строительства» АлтГТУ им. И. И. Ползунова. E-mail: ananda_hasita@mail.ru
Суртаев Андрей Геннадьевич - аспирант кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ им. И. И. Ползунова. E-mail: agsurtaev84@mail.ru
Бессонов Виталий Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» СГУПСа. E-mail: bessonovvv@stu.ru
