CC BY
14A. С. Черныш, канд. техн. наук, профессор,
B. Ф. Карякин, канд. техн. наук, профессор,
П. С. Ашихмин, аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВИСЯЧЕЙ СВАИ В МАССИВЕ
ЗАКРЕПЛЕННОГО ГРУНТА
В статье представлены результаты исследования работы висячей сваи в песчаных грунтах при закреплении околосвайного массива грунта твердеющим раствором на основе карбамид-ной смолы. Приведены оборудование и методика, использованные при проведении лабораторного стендового и полевого натурного экспериментов. Рассмотрены прочностные характеристики грунта после закрепления.
В связи с бурно развивающейся строительной отраслью нередко приходится возводить здания и сооружения на строительных площадках со сложными инженерно-геологическими условиями. В частности, на пойменных участках, склонах балок и оврагов, территориях, сложенных насыпными и техногенными грунтами. В геоло -гическом строении пойменных участков всегда принимают участие песчаные грунты аллювиального происхождения. В качестве фундаментов для возводимых многоэтажных зданий и сооружений на таких неблагоприятных участках чаще всего применяют длинные (б ольше 6 м) сваи.
Для уменьшения экономических затрат применяют различные методы повышения несущей способности
свай, связанные как с рационализацией конструкции свай (увеличение площади опирания, сил трения по боковой поверхности и пр.), так и с улучшением свойств околосвайного грунта (цементация, силикатизация и пр.). Причем закрепленный массив грунта должен работать совместно с конструкцией сваи. Эти методы позволяют уменьшить длину сваи, сохранив ее несущую способность.
Недостатками свай с увеличением площади опирания посредством различных механических приспособлений являются сложность конструкции, сложность операций, предшествующих раскрытию разного рода лопастей и наконечников..
В связи с этим актуальным вопросом является раз-
работка новых типов конструкций фундаментов, которые универсально решали бы несколько проблем. Например, увеличивали несущую способность при создании сопутствующей противофильтрационной завесы.
На кафедре Гор одского кадастр а и инженерных изысканий БГТУ им. В.Г. Шухова разработана конструкция сваи-инъектора, позволяющего не только сохранить, но и повысить несущую способность висячей сваи при уменьшении длины конструкции за счет увеличения площади опирания и вовлечения в работу околосвайного массива грунта, закрепленного твердеющим раствором.
Разработанная свая-инъектор позволяет закачивать твердеющий раствор через тело сваи, формируя вокруг конструкции массив армированного грунта прочно адгезионно связанного с телом сваи.
Для исследования работы сваи-инъектора в условиях песчаных грунтов были проведены лабораторные стендовые и натурные полевые эксперименты.
Стендовые эксперименты проводились в лотке размерами 1200x600x600 мм (К), выполненном из стали толщиной 3 мм. С помощью стальных листов, он был разделен на 3 равных отсека. Каждая из этих частей заполнялась воздушно-сухим, чистым, однородным (степень неоднородности 1,67), мелким песком.
Песок имел следующие характеристики:
- плотность твердых частиц - р5 = 2,66 г/см3 ;
- влажность - W = 0,04;
- угол естественного откоса - ф = 31° .
Укладка песка в лоток осуществлялась вручную слоями по 5-10 см с послойным трамбованием для достижения заданной плотности в отсеке лотка. Равномерность укладки обеспечивалась отсыпкой песка с постоянной высоты от поверхности грунта. После каждого опыта грунт извлекался из лотка, и проводилась его новая укладка.
В отсеках лотка эксперимент проводился при плотностях 1,5; 1,6; 1,7 г/см3.
Фотография экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Процесс нагнетания раствора через сваю-инъектор
После укладки песка проводилось определение коэффициента фильтрации при помощи прибора КФ-00. Коэффициент фильтр ации составил со ответственно 18; 12; 8 м/сут.
Модели свай изготавливались из металлических труб и имели сечение 20х20 мм при длине 400 мм. Размеры моделей подбирались с учетом размеров экспериментального лотка и из условия геометрического подобия соответствующего натурным железобетонным сваям сечением 30x30 см длиной 6 м. Нижние концы моделей свай закрывались заостренными деревянными наконечниками.
Для имитации бетонной поверхности сваи, модели покрывались смесью мелкозернистого песка и цемента на клее БФ.
Погружение моделей свай в грунт осуществлялось вдавливанием ручным прессом. Для исключения взаимного влияния расстояние между соседними моделями принималось не менее 5^ Таким образом, учитывались зоны распространения деформаций в грунте, которые составляют: в плане - 3^ по глубине - 6d 0 - сторона квадратного сечения сваи).
После погружения сваи, через нее проводилось нагнетание в грунт твердеющего раствора. В качестве рабочего использовался раствор на основе карбамидной смолы марки КФ-МТ. В качестве отвердителя использовалась соляная кислота концентрацией 6%.
Статические испытания несущей способности свай проводились через 20 дней после нагнетания раствора. За это время происходил процесс набора прочности закрепленного грунта.
Статическое нагружение проводилось ступенями. Нагрузка прикладывалась строго по центру сечения сваи. Каждая следующая ступень нагрузки прикладывалась после условной стабилизации осадки сваи от предыдущей ступени. За условную стабилизацию принималось перемещение, равное 0,01 мм за 5 мин наблюдения. За срыв сваи принималось достижение осадки 5 мм.
Осадка свай измерялась на уровне верха сваи индикаторами часового типа с точностью 0,01 мм.
В эксперименте проводилось троекратное повторение опытов.
После испытания производилось извлечение свай для измерения радиуса закрепления и отбора образцов для исследования прочностных характеристик закрепленного грунта.
Необходимо было рассмотреть и сравнить несущую способность свай без закрепления околосвайного массива грунта.
Результаты статических испытаний приведены на рис. 2.
Из графиков видно, что в закрепленном грунте происходит увеличение несущей способности модели сваи засчет образования вокруг нее армированного массива грунта адгезионно связанного с материалом сваи. В результате этого увеличивается площадь опирания сваи и соответственно ее несущая способность.
1,5 1,6 1,7
р, г/см3
—♦—50 мл -ш— 100 мл -*— без нагнетания Рис. 2. Результаты статических испытаний свай
Причем увеличение несущей способности тем больше, чем ниже плотность грунта, что объясняется увеличением радиуса закрепления.
Фотография сваи-инъектора после нагнетания твердеющего раствора приведена на рис. 3.
Рис. 3. Свая-инъектор после нагнетания твердеющего раствора
Для проведения натурных полевых экспериментов были подготовлены и спланированы две опытные площадки. В геоморфологическом отношении площадки приурочены к третьей правобережной надпойменной террасе р. Везелка. Физико-механические характеристики грунтов опытных площадок № 1 и №2 представлены в таблице 1.
Так как на формирование армированного грунта и, соответственно, на несущую способность сваи-инъек-тора в немалой степени влияет коэффициент фильтрации грунта, то на опытных площадках были пр оведены работы по определению этой характеристики песка методом налива в скважины. Коэффициент фильтрации на площадке № 1 составил 22 м/сут, на площадке № 2 -10 м/сут.
В качестве свай использовались металлические трубы сечением 50х50 мм длиной 0,5 и 0,75 м. Размер сваи подбирался из условия геометрического подобия и соответствовал натурным железобетонным сваям сечением 300х300 мм длиной 3 и 4,5 м. Для имитации бетонной поверхности сваи покрывались смесью мелкозернистого песка и цемента на клее БФ. Нижний конец закрывался заостренным деревянным наконечником. Внутри труб при помощи хомутов крепились медные трубки диаметром 6 мм, через которые производилось нагнетание раствора в грунт. В трубках были прорезаны щелевидные отверстия для выхода раствора. В металлических трубах также были прорезаны отверстия для выхода раствора в 5 см от нижнего и в 10 см от верхнего конца.
Погружение свай и статические испытания проводились при помощи экспериментальной установки, изображенной на рис. 4.
Грузовая рама выполнена из швеллер а № 10 и уголка №5. В качестве упорного элемента использовался швеллер №10 и арматурные стержни диаметром 16 мм.
Для измерения вертикальной осадки испытываемых свай использовались индикаторы часового типа ИЧ-10 1 класса точности с ценой деления 0,01 мм, закрепленные на кронштейнах. Сам кронштейн устанавливался на анкер, который представлял собой арматурный стержень диаметром 6 мм, забитый в землю.
Рис. 4. Установка для испытания свай статической нагрузкой
Погружение свай производилось вдавливанием в предварительно пробуренные лидерные скважины. Для исключения взаимного влияния расстояние между соседними сваями принималось не менее 5^
Нагружение создавалось гидравлическим домкратом ступенями. Каждая следующая ступень нагрузки прикладывалась после условной стабилизации осадки сваи от предыдущей ступени. За условную стабилизацию принималось перемещение, равное 0,01 мм за последние 30 минут наблюдений. За значение несущей способности элемента (сваи) принималась нагрузка, соответствующая осадке равной 10 мм.
После завершения статических испытаний производилась выемка сваи для определения радиуса закрепле-
Таблица 1
Физико-механические характеристики грунтов опытных площадок
Номер ИГЭ, его описание Мощность слоя, м Удельный вес у, кН/м3 Прир. влажн. W Коэфф порист. е Степень влажн. Sr Удельное сцепление с, кПа Угол внутр. трения Ф, град Модуль деформации Е, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Площадка №1
1 - чернозем 0,5 - 0,6 15,2 - - - - - -
2 - суглинок полутверд. 1,2 - 1,5 17,56 0,13 0,72 0,49 25 22 20
3 - песок мелкий 9,5 - 10 16,68 0,20 0,87 0,61 1 28 16
4 - мел писчий 3,5 - 4 19,62 0,22 - - - - -
Площадка №2
1 - чернозем 0,5 - 0,7 15,7 - - - - - -
2 - суглинок полутверд. 1 - 1,5 17,85 0,15 0,72 0,56 25 22 20
3 - песок мелкий 9 - 9,5 17,2 0,20 0,82 0,65 1 28 16
4 - мел писчий 3 - 3,5 21,58 0,25 - - - - -
ния околосвайного грунта и определения физико-механических характеристик закрепленного грунта.
Нагнетание твердеющего раствора проводилось под давлением 4 атм. В качестве рабочего использовался
тот же раствор, что и в стендовом эксперименте.
Испытания проводились через 20 дней после нагнетания раствора. За это время происходил процесс набора прочности закрепленным грунтом..
L=Ü,5m
ю
3
ЕЕ
Р, кН
DJ9 1J8 2,7 3j6 tí 54 6,3
1-свая без усиления; 2-свая-инъеюгор с нагнетением 100 мл раствора; 3-свая-инъесгор с нагнетением 200 мл раствора
L=0,75M
Р, кН
п o 0J9 Ц8 2,7 3J6 tí 5.+ В.Э
-е
-+ *
*
>
\ < >
) 3
■Г Д \
>
iñ J \ 1 L
1-свая без усипения; 2-свая-инътср с нагаетением 100 ш раствора; 3-сшя-инъектор с нагаетением 200 мп раствора
Рис. 5. Результаты полевых статических испытаний свай на площадке №1 (К. =22 м/сут)
L=0,5M
Р, кН
D 0.9 1J3 2.7 3J6 tí
1 I
\ Д \
, А А \
зГ 3
1 i 3
Е % \ \ \
® 1QJ \
1-свая без усипения; 2-свая-инъеюго р с нагнетением 10 аствора; 3-сюя-инъектор с нагнетением 200 мп раствора
ÜJ9
L=0,75m
i je
2,7
3JS
1
t
\ V
\ Ч >
FT сА
i ер 3
\ V
\ \ \
Р, кН
tí
1-свая без усипения; 2-свая-инъеюгор с нагнетением 100 мп раствора; 3-сюя-инъектор с нагнетением 200 мп раствора
Рис. 6. Результаты полевых статических испытаний свай на площадке №2 (К, = 10 м/сут)
Таблица 2
№ ЭьъПерЯ- КиЛ-ии ЗигаИиВМЫ Коэфф. фИ.ЦЛрЩ, ДчИденве ПрСЧ.н. ли ОЖйГИи,
IIII миш ряСТВОрЙ, мл и/ч;. | нимзеглКНЯ. и I закреплен. он МПи
] 7 ь 71 ]0> 12 4,5 7
2 I И« ЦК 4 Ь -]
7 К) 4,2 ь
а .п 20 :■ 5,5 6
£ а
ч ]СИ> п2
ю 20 :■ Ш.2 -1
ности составило 220%-240% на площадке №1 и 150%-175% на площадке №2. Это обусловлено тем, что на площадке № 1 коэффициент фильтрации грунта больше, чем на площадке №2, что привело к образованию массива армированного грунта большего радиуса. Увеличенный радиус массива закрепленного грунта привел к увеличению лобового сопротивления сваи, что обеспечило увеличение несущей способности. В таблице 2 приведены данные исследований прочностных характеристик закрепленного грунта, а также радиус закрепления грунта вокруг сваи.
На рис. 7 представлена свая-инъектор после нагнетания твердеющего р аств ор а.
Из проведенных исследований видно, что несмотря на сложные инженерно-геологические условия, возведение зданий и сооружений на пойменных участках можно проводить значительно уменьшив затраты на фундаменты, используя при этом песчаные аллювиальные отложения и формируя в них массивы закрепленного грунта. Однако, при проектировании работ такого рода необходимо тщательное исследование всех физико-механических характеристик грунта, а также гидрогеологическую обстановку конкретного участка.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.
2. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.
3. Ржаницын Б.А. Химическое упрочнение грунтов в строительстве. - М.: Стройиздат, 1986 - 179 с.
Рис. 7. Свая-инъектор после нагнетания твердеющего раствора
В результате статических испытаний получены графики зависимости «осадка-нагрузка» для свай-инъекто-ров и традиционных призматических свай, в зависимости от грунтовых условий, объема раствора, закачиваемого через каждое отверстие, а также от длины сваи, приведенные на рис. 5; 6.
Как видно из графиков увеличение несущей способ-
