CC BY
63Рис. 4. Зависимость коэффициента сохранения прочности ПА6-2 Н-ДС от времени экспозиции в г. Якутске: 1 - полигон Ти=293К; 2 - полигон Ти=213К; 3 - склад ТИ=293К; 4 - склад Ти=213К
Таким образом, использование полимерных материалов, наполненных короткими волокнами, целесообразно и эффективно в технике Севера, так как воздействие низких температур ведет к повышению их прочностных характеристик [7].
Литература
1. Бабенко Ф.И. Прогнозирование прочности термопластов в холодном климате с учетом старения // Материалы. Технологии. Инструменты. 2003. №3. С. 21-24.
2. Крегерс А.Ф. Алгоритм отыскания минимума
функции многих переменных методом спуска // Алгоритмы и программы. 1974. №2. С. 9.
3. Браутман Л. Разрушение и усталость. М.: Мир, 1978.483 с.
4. Овчинский A.C. Процессы разрушения композиционных материалов. М.: Наука, 1988. 123 с.
5. Бельчусова H.A., Бабенко Ф.И. Старение стекло-наполненного полиамида в условиях холодного климата // Пластические массы. 1999. №8. С. 13-17.
6. Белый В.А. Трение и износ материалов на основе полимеров. Минск: Наука и техника, 1976. 432 с.
7. Сухов A.A., Бабенко Ф.И. Конструкционные пластмассы для техники Севера // Наука и образование. 2001. №4. С. 53-54.
УДК 624.139:624.15
Несущая способность свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах и общий метод ее натурного определения
И.Е. Гурьянов
Предложена методика комплексных полевых испытаний, выявляющих не одну, а две характеристики несущей способности свайного фундамента. Выведены расчетные функции несущей способности свай в данной методике. Более достоверные расчеты позволяют оптимизировать свайное поле, варьируя шириной и рабочей длиной конструкции свай, а также их шагом.
A procedure ofcomplex field tests revealing not one but two characteristics ofthe bearing capacity ofpile foundations is described. Calculatedfunctions ofpile bearing capacity are given in the procedure. More reliable calculations permitfinding the optimum solution concerning the pile field by means of variation in width and working length ofthe pile structure as well as in pile step.
Схематизация расчетных сопротивлений основания буроопускных свай
Буроопускные сваи, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины, являются
ГУРЬЯНОВ Игорь Емельянович, в.н.с. ИМЗ СО РАН, к.т.н.
основным типом фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Боковая поверхность таких свай по всей глубине контактирует с однородным грунтовым раствором, заливаемым в скважину. Поэтому для раствора данного состава прочность смерзания является единой характери-
стикой всей рабочей длины сваи, а общая несущая способность сваи, согласно стандартной расчетной схеме, определяется как сумма сил, зависящих от расчетных сопротивлений грунтов основания нормальному давлению под торцом сваи Я и сдвигу вдоль ее боковой поверхности ЯаГ
ГОСТ [2] на методы полевых испытаний свай в вечномерзлых грунтах подразумевает прямую пропорциональность экспериментальных и расчетных значений общей несущей способности сваи, т.е. реальные соотношения сопротивлений мерзлых грунтов Яа/и Я полагаются равными нормируемым. Однако действительное соотношение указанных характеристик может быть самым различным, поскольку механические свойства грунтов на конкретной площадке обусловлены не только их гран-составом, согласно СНиП [3], но также генетическими и литологическими особенностями, криогенным строением и льдистостью. Эти факторы неодинаково сказываются на различных параметрах прочности, в связи с чем одновременное определение величин Я и Я необходимо проводить непосредственно в производственных испытаниях свай, которые по нормам рекомендуются для ответственных сооружений, т.е. второго класса долговечности и выше.
Попытки совместного определения величин Я и Я испытанием одного фундамента предпринимались в течение десятилетий с помощью различных измерительных и конструктивных приспособлений. Это, прежде всего, мессдозы, измеряющие контактные касательные и нормальные напряжения, конструкции, исключающие работу торца или варьирующие соотношением жесткостей торца и боковой поверхности сваи. Однако, будучи связанными с изменением жесткости фундамента и соответствующим искажением сопротивления грунта, данные направления признаны бесперспективными.
Ниже рассматривается расчетный путь решения проблемы. Выявим прежде всего способ учета температуры грунта. Вслед за С.С.Вяловым [ 1 ] во многих работах доказано, что зависимость прочности мерзлых грунтов различных типов от температуры аппроксимируется степенной функцией:
Я = Я, 0"; Яа/=Яа/х в", (!)
где 0 = ^ / / 5 ? - фактическая температура мерзлого грунта, °С; 1 = -1°С; Я, , ЯаГ , - прочность грунта при (=1].
В формуле (1) показатели степени т, п варьируют в пределах 0,3-0,7. Табличные значения СНиП
[3] расчетных сопротивлений Я под торцом сваи соответствуют т=0,4 для всех типов грунтов, исключая крупнообломочные при льдистости за счет ледяных включений /<0,2 (ти=0,3) и пески средней крупности и выше (т=0,35). Таблицы СНиП для сопротивления сдвигу сваи по грунтовому раствору соответствуют п = 0,65, а для сдвига грунта по грунту (у стенки скважины) — л = 0,5. Функция (1) коррелирует по температуре в целом достаточно надежно и отдельными испытаниями свай не может быть исправлена.
Функции, выражающие расчетную несущую способность свай
С увеличением заглубления сваи сопротивление под торцом возрастает для свай большего диаметра в меньшей степени, т.е. является функцией относительной длины:
Я, - Я (\ + Щ, (2)
где Ь = 1(/ Ъ, 1Г - рабочая длина, Ь - поперечный размер сваи.
В формуле (2), согласно СНиП [3], к= 0 для средних и крупных песков, а также для крупнообломочных грунтов. Если принять, что данные таблицы 1 приложения 2 СНиП отвечают ширине сваи 6=0,3 м, то для прочих мерзлых грунтов любого типа ¿=0,008 при г <0,2 и ¿=0,005 при 0,2< г.<0,4.
Функции (1) и (2) характеризуют наиболее общие особенности работы свай в вечномерзлых грунтах и, очевидно, должны учитываться в анализе результатов испытаний свай.
Для буроопускных свай изменение величины Яа, с глубиной определяется только температурой грунтов, вследствие чего суммируемую часть формулы (3) СНиП [3] нетрудно привести с учетом формулы (1) к виду:
X Ка/, I Аа/, I = Ка/ 1 Аа( > /
где А а/ - общая площадь рабочей зоны боковой поверхности сваи;
в - среднее значение безразмерной температуры по всей поверхности сдвига, определяемое по формуле:
* = (3)
V I /
где 51 = /?, / /у - относительная толщина/-го слоя грунта с температурой в..
В этом случае формулы (3) и (4) из СНиП [3]
совпадают в написании, и данное общее выражение удобнее представить следующим образом:
<т = ^+Лв/. 41,
(4)
где а - среднее нормальное напряжение в голове сваи.
В формуле (4) относительная длина сваи Ь выражается через ее поперечный размер Ъ, равный диаметру для круглой сваи, катету - для квадратной, а для сваи прямоугольного сечения со сторонами Ъ1 и Ь, Ь = 2 Ь}Ь2/(&! + Ь2).
Полагая, что влияние температуры грунта и заглубления сваи взаимно независимо, и подставляя выражения (1) и (2) в формулу (4), имеем:
<7 = ^ (1+ Щ вт +АЯа1I вп.
(5)
Здесь в первом слагаемом величина в определяется по температуре грунта у торца сваи, а во втором - по формуле (3).
Интерпретация результатов натурных испытаний свайных фундаментов
В процессе обработки результатов испытаний свай формулу (5) следует рассматривать как линейное уравнение относительно неизвестных и Яа/р при этом величины к, т, п принимаются равными указанным выше значениям. Общий вид линейной функции (5) свидетельствует о том, что любые два испытания с различными в и Ь взаимно независимы, вследствие чего система двух уравнений вида (5) имеет ненулевые решения Л, и К . При числе испытаний более двух эти решения осредняются как эмпирические параметры линейной регрессии.
Если в различных испытаниях температурные условия одинаковы, то можно непосредственно использовать формулу (4) для определения Л и Ло/при вариациях величины Ь. В этом случае минимум объема полевых работ требует испытания по крайней мере двух свай, причем разного сечения, или же одного сечения, но разной длины.
Излагаемая методика прямо следует из расчетных формул СНиП и общего метода предельных состояний, принятого в расчетах строительных конструкций и оснований, выявляя две основные характеристики несущей способности свай и предусматривая их совместное равноточное осреднение не из раздельных испытаний, а по перераспределению усилий в конструкции.
Как иллюстрацию реальности и простоты излагаемой методики рассмотрим результаты испы-
таний свайных фундаментов в условиях конкретной площадки Западной Якутии. Испытаниями двух свай сечением 35x35 см в вечномерзлых крупнообломочных (элювиальных) грунтах получены значения предельной нагрузки 0,98 МИ при заглублении сваи в мерзлый грунт 4,9 м и 1,19 МН при заглублении 6,5 м. Температура грунтов в период испытаний была практически одинакова на всю рабочую длину свай - около -2°С, глубина сезонного прогаивания - 1,2 м. Принимая к = 0 в выражении (2), получаем по формуле (4) два уравнения следующего вида:
Гл + 42,з /г^ =8,о; + 60,6 ^ =9,7.
Отсюда находим значения Я = 4,06 МПа и Яа/= 0,093 МПа при температуре -2°С, характеризующие фактические условия площадки. Низкое значение ^объясняется наличием бурового шлама в грунтовом растворе.
При температуре г рунтов, осредняемой на рабочей длине сваи I согласно выражению (3) и неизменной в процессе испытаний, с учетом варьирования в испытаниях только значениями безразмерной длины Ь, удобно использовать следующие из (4) расчетные формулы для определения искомых сопротивлений вечномерзлого грунта:
Я, =
сгД, - СГ|12 в _ <т1-сг2
2 1 Ц - Ь2
= 4 (Ц-12у
(6)
где сх,, Ь, - предельное напряжение и габариты сваи в первом испытании;
а2, Ь2- то же во втором испытании.
Реальные примеры и общие соображения показывают, что совместное исследование параметров сопротивления основания, обычно определяемых раздельными испытаниями, позволяет выявить их действительные соотношения, отличающиеся от нормируемых вдвое и более. Поэтому назначаемые при проектировании фундаментов по СНиП поперечные сечения и глубина заложения свай, в отсутствие данных о фактических значениях сопротивлений Я и Яа/ объективно не отвечают условиям равнопрочное™ различных зон используемого основания и являются конструктивно нерациональными. В отличие от нормативных рекомендаций, опирающихся на стандартный метод испытания свайных фундаментов, рассмотренная методика полевых испытаний, реально предусматривающая параллельные испытания различных конструктивных вариантов свай, обеспечивает
более детальную интерпретацию результатов. Это гарантирует при последующем проектировании возможность обоснованно назначать конфигурацию и размеры свайных фундаментов, согласованные с действительной работой отдельных элементов конструкции сваи в конкретных мерзлотно-грунтовых условиях.
Описанная методика испытаний открывает возможность варьирования тремя параметрами свайного поля: шириной конструкции сваи, рабочей длиной сваи в мерзлом грунте и шагом свай. Минимизируя материалоемкость фундаментов сооружения в целом или же общую стоимость строитель-
ных работ и конструкций, можно оптимизировать свайное поле для требуемых габаритов конструкций и шага свай в плане.
Литература
1. Вялое С. С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 190 с.
2. ГОСТ 24546-81. Сваи. Методы полевых испытаний в вечномерзлых грунтах. М.: Изд-во стандартов, 1981.24 с.
3. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на веч-номерзлых грунтах. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.53 с.
