О надежности свайных фундаментов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.154

О НАДЕЖНОСТИ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Ю.В. Краснощеков, доктор технических наук, профессор, СибАДИ

Аннотация. Надежность свайных фундаментов характеризуется величиной коэффициента надежности, принимаемого в зависимости от способа определения несущей способности сваи и в частных случаях от числа свай в фундаменте. В статье предпринята попытка представить данный коэффициент в виде функции нормального распределения случайной величины несущей способности одиночной сваи. По этой функции и частным значениям коэффициента надежности получены предельные величины коэффициентов вариации, из сопоставления с которыми опытных данных можно судить о надежности фундамента.

Введение

Некоторые положения норм проектирования свайных фундаментов (СНиП 2.02.03-85 и СП 50-102-2003) неоднозначно трактуются экспертами, в результате чего у проектировщиков возникают сомнения в эффективности принимаемых решений. Одно из таких положений касается надежности расчета одиночной сваи в составе фундамента по несущей способности грунтов основания из условия

N < —, (1)

У к

где N - продольное усилие в свае от расчетных нагрузок; - расчетная несущая способность

грунта основания одиночной сваи (несущая способность сваи), определяемая по результатам испытаний свай или образцов грунта; у к -коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от способов определения и в

ряде случаев от числа свай в фундаменте.

Редакция текста нормативных документов такова, что непонятно относится ли положение об учете числа свай к проектированию фундаментов любых сооружений, или это касается только мостов. Если речь идет только о мостах (этот вывод можно сделать из анализа прежних и некоторых региональных редакций нормативных документов), тогда почему данное положение не распространяется на фундаменты зданий или других сооружений. Понимание этого момента важно для эффективности принимаемого решения, так как приходится делать выбор между значениями коэффициента у к от 1,25 до 1,75. К

примеру, в фундаментах опор башенных (мачтовых) сооружений, рассчитываемых на сжатие и (или) выдергивание, требуется ограниченное число свай, и необоснованное увели-

чение коэффициента у к при проектировании вызывает значительное удорожание строительства, а необоснованное уменьшение у к

может снизить надежность сооружения.

Вероятностная основа коэффициента

надежности у к

Для обоснования правильного решения, следует разобраться в сущности коэффициента У к ■

Расчет оснований фундаментов рекомендуется выполнять по методу предельных состояний (ГОСТ 27751-88), в котором все коэффициенты надежности на основные группы по: материалу, нагрузке, условиям работы и

ответственности. Коэффициент у к по смыслу ближе всего к группе коэффициентов надежности по материалу ут (по грунту

у^), с помощью которых осуществляется

переход от нормативных значений сопротивлений материалов к расчетным значениям по формуле

яп

Я = -^ (2)

У т

При нормальном законе распределения случайных величин сопротивлений справедлива вероятностная интерпретация сопротивлений материалов по формулам

Яп = Я (1 -ИЯ^Я)

Я = Я(1 -РяУя ) (3)

и коэффициентов надежности по материалу в виде

У т

К

Я

1 И- яуя 1-Р ЯУЯ

(4)

где И я и в я - коэффициенты, характеризующие степень обеспеченности нормативных и расчетных значений сопротивлений;

Уя - коэффициент вариации сопротивления.

Правила определения коэффициентов вариации для различных свойств грунта, в том числе, для коэффициента вариации несущей способности грунта основания сваи

изложены в ГОСТ 20522-96. Согласно

V

F ■■

этому стандарту для всех характеристик грунта вычисляют нормативные, а для характеристик, используемых в расчетах, и расчетные значения. Нормативные значения характеристик определяют как среднестатистические, т.е. Рсп = р , а расчетные значения получают делением нормативного значения на коэффициент надежности по грунту у^ ,

т.е. Рс = Fcln/Уg . Таким образом, подтверждается аналогия между коэффициентом надежности по грунту и коэффициентами надежности по материалу.

Коэффициент надежности у % имеет несколько иную смысловую нагрузку по сравнению с коэффициентом надежности по грунту

уg , так как в общем случае учитывает не

только изменчивость свойств грунта, но и погрешности методов получения статистических данных о них, а также число свай в фундаменте.

Обобщая сказанное выше, представим правую часть условия (1) в виде расчетной величины несущей способности одиночной сваи F1 в фундаменте

С

(5)

Ук УkУg

Используя аналогию расчетных значений несущей способности сваи с параметрами выражений (3), запишем

Р1 = (і РFVF ),

(6)

учитывая равенство Рсп = Рс, при кото

ёп'

ром Ц р = 0, получим из (5) и (6)

1

У к =

(1 -в FVF )у

(7)

роких пределах VR = 0,05 - 0,5 [1]. Статистики механических свойств грунта сложно оценить из-за чувствительности образцов к способам изготовления, хранения, испытания и систематических ошибок эксперимента. Поэтому изменчивость механических характеристик в натуре, в отличие от других материалов, меньше, чем в опытных образцах. Особенно это касается изысканий на площадках небольших размеров.

Наиболее просто и точно получить характеристики изменчивости грунта методом статического зондирования. В процессе изысканий согласно нормам требуется статистическая обработка результатов измерений несущей способности свай не менее чем в 6 точках зондирования. При этом получают значе-

ния

V

коэффициент надежности

Уg = 1(1 -ЦFVF )

g

формулу (7)

У к

и можно уточнить

1 -в

(8)

FVF

(9)

Определение характеристик изменчивости несущей способности одиночных свай

Грунт крайне неоднородный материал, коэффициент вариации сопротивления песчаных и глинистых грунтов колеблется в ши-

где Ир = ^а /Vп - коэффициент, характеризующий степень обеспеченности нормативных значений несущей способности сваи по грунту в зависимости от числа определений п; ta - коэффициент Стьюдента (например, ^ = 0,792 при п = 6).

Из (8) можно получить расчетные предельные значения коэффициента вариации

Ури

У к - 1 Р р У к - И р

Доверительную вероятность при вычислении расчетных значений Ури принимают в

соответствии с нормами проектирования различных видов сооружений. При отсутствии специальных указаний, очевидно, следует ориентироваться на рекомендации п. 2.14 СНиП 2.02.01-83, согласно которым при расчете по несущей способности доверительная вероятность должна приниматься не менее а = 0,95, а для мостов не менее а = 0,98. Если считать, что речь идет об односторонней доверительной вероятности (по аналогии с расчетными сопротивлениями материалов), то им соответствуют значения коэффициентов

Рр = 1,64 и Рр = 2,06, соответствующие

аргументам нормальной функции распределения Ф*(р) [2].

1

В табл. 1 приведены предельные значения Ури , полученные по формуле (9) в зависимости от величины коэффициента у к при

разной обеспеченности расчетных значений F1 и ^ = 0,792.

Из сопоставления табличных значений

коэффициента вариации Ури с результатами

изысканий можно судить о надежности свайного фундамента, рассчитанного с соответствующим коэффициентом у к.

Следует отметить, что значения Ури характеризуют изменчивость несущей способности одиночной сваи по грунту, которая может быть расположена в любой точке на строительной площадке. Изменчивость несущей способности сваи в конкретной точке значительно меньше, поэтому представим

коэффициент вариации Ури в виде

2 2 2

Ури = Ур1 + Ур 2 - (10)

где Ур1 и Ур2 - коэффициенты вариации,

характеризующие независимую изменчивость свойств грунта соответственно на площадке и в конкретной точке или кусте (локальная изменчивость, отражающая в основном способ измерения механических характеристик грунта).

При недостатке опытных данных коэффициент вариации Ур1 можно принимать равным

предельному значению Ури при у к = 1,25, так как при этом коэффициент вариации практически не зависит от числа свай в кусте, а Ур2 определяется из уравнения (10). В табл. 1 приведены значения Ур 2 при а = 0,95 и

Ур1 = 0,198, а также при а = 0,98 и Ур1 = 0,14, определенные в зависимости от коэффициента надежности у к .

Анализ проектных решений Приведем для примера проектные данные по фундаментам антенных опор, возведенных в последние годы предприятием СМУ-175 «Радиострой» в Омской области. При проектировании свайных фундаментов 30 сооружений были использованы результаты статического зондирования, выполненные в объеме, достаточном для получения коэффициентов вариации Ур . Фундаменты сооружений включали 3 - 5 кустов из 2 - 13 забивных свай, воспринимающих выдергивающие и (или) сжимающие усилия.

Для анализа приняты только статистические данные для свай конкретной длины, принятой в каждом проекте.

Отдельно выполнен анализ по одиночным сваям, работающим на выдергивание (30 объектов) и на сжатие (18 объектов). Средние значения для обоих случаев практически

совпали: при выдергивании Ур = 0,058 (минимум 0,007, максимум 0,167); при сжатии Ур = 0,059 (минимум 0,01, максимум 0,171).

Минимальные и максимальные значения получены на разных площадках, например: в

н.п. Низовое - при выдергивании Ур = 0,048, а при сжатии Ур = 0,171; в Златополе - при

выдергивании Ур = 0,128, а при сжатии Ур

= 0,054. Как видно из приведенных данных, на всех площадках результаты испытаний не

превышали предельного значения Ури =

0,198 при доверительной вероятности а = 0,95 (табл. 1).

Таблица 1

Предельные значения коэффициентов вариации

У к Ури при а У р 2 при а

0,95 0,98 0,95 0,98

1,6 0,326 0,24 0,259 0,195

1,5 0,298 0,218 0,223 0,167

1,4 0,265 0,191 0,176 0,13

1,25 0,198 0,14 0 0

1,2 0,169 0,119

Несущая способность свайного фундамента

Свайный фундамент (свайный куст), в отличие от одиночной сваи, является системой с параллельно соединенными элементами -одиночными сваями. Коэффициент вариации несущей способности такой системы зависит

от числа свай m в кусте и равен Ур =

¡2 2

л, Ур1 + Ур2 /т (для упрощения принимаем независимость свойств грунта в пределах куста и на площадке в целом).

Расчетное значение несущей способности системы - куста свай определяется по формуле

рп = рИп(1 -Ррл1Ук + У^/т ) (11)

Из анализа формулы (11) видно, что при увеличении числа свай m несущая способность куста приближается к сумме расчетных значений несущей способности одиночных свай, определяемых по формуле (6). Такой подход к учету числа свай в фундаменте ис-

пользуется нормами применительно к сплошным свайным полям жестких сооружений (при числе свай более 100), если несущая способность свай определена по результатам статических испытаний. При этом принимается коэффициент надежности у % = 1.

Коэффициент надежности для куста свай с жестким ростверком в общем случае можно получить из совместного учета (5) и (11) по аналогии с выражением (8)

р1п 1 — Ц FVF1

у к=-^=-------------,р р1, <12>

рп 1 — врл^р1 + Vр2 /т

В общем случае в запас надежности принимаем Ц р = 0.

По данным, приведенным в табл. 1, получены значения у % для кустов с разным числом свай (а = 0,98 и VF1 = 0,14): при VF, = 0,195 и т = 1 - 5 у % = 1,98 - 1,51; при VF2 = 0,167 и т = 6 - 10 у % = 1,47 - 1,45; при VF, = 0,13 и т = 11 - 20 у % = 1,43 - 1,42. Результаты вычислений соответствуют нормативным значениям коэффициентов у % (соответственно, 1,6; 1,5 и 1,4). При а = 0,95 и ^1 = 0,198 результаты в большей степени отличаются от нормативных значений: при VF, =

0,259 и т = 1 - 5 у % = 2,16 - 1,61; при VF, = 0,223 и т = 6 - 10 у % = 1,56 - 1,53; при VF, = 0,176 и т = 11 - 20 у % = 1,51 - 1,5. Это позволяет сделать вывод о том, что нормативные значения у %, установленные в зависимости от числа свай, относятся к сооружениям, для расчетных параметров которых доверительная вероятность а = 0,98.

Примеры расчетов

1. По результатам статического зондирования (6 точек) получено VF = 0,14. Определить коэффициент надежности у % для одиночной сваи в фундаменте оттяжки мачты.

Решение. По формуле (8) при в р = 1,64 имеем у % = 1,155 < 1,25.

2. При VF1 = 0,2 и VF, = 0,1 определить коэффициент надежности у %, если фундамент состоит из т = 2 свай.

Решение. По формуле (12) при в р = 1,64

и Ц р = 0 имеем у % = 1,54.

3. По результатам статического зондирования (6 точек) получен коэффициент вариации

Ур1 = 0,12. Уточнить коэффициент надежности

у к для фундамента в виде куста из т = 4 свай.

Решение. При т = 4 по нормам у к = 1,6 и

Ури = 0,24. По формуле (10) Ур2 = 0,208 и

по формуле (12) при Р р = 2,06 уточняем у к = 1,345.

4. По результатам статического зондирования (6 точек) получено Ур1 = 0,2 и Ур 2 =

0,1, фундамент выполнен в виде куста из 4 свай с жестким железобетонным ростверком. Определить обеспеченность (надежность) расчетного значения несущей способности куста при коэффициентах надежности у к =

1,25 и у к = 1,6.

Решение. Из формулы (12) определяем коэффициент

Рр = (Ук -1 + ИрУр1 )/Укл/Ур1 + Ур2/ т .

При у к = 1,25 получили Р р = 1,585, который

по нормальному закону распределения соответствует вероятности (надежности) фундамента Рр = 0,944 < 0,98. При у к = 1,6 коэффициент Р р = 2,299 по нормальному закону

распределения соответствует вероятности = (надежности) фундамента Рр = 0,989 > 0,98. Выводы

Таким образом, подтверждается вероятностная основа коэффициента надежности ук и зависимость расчетных значений несущей способности свай по грунту от изменчивости свойств грунта и от числа свай в фундаменте. В нормах проектирования свайных фундаментов зависимость расчетных значений коэффициента надежности от числа свай учтена при доверительной вероятности а =

0,98, которая установлена для мостов.

Коэффициент надежности у к целесообразно вычислять для любых сооружений по формулам (8) или (12) в зависимости от коэффициентов вариации несущей способности свай по грунту, а также способа их определения. Можно назначать коэффициент надежности из сравнения опытных значений коэффициентов вариации Ур несущей способности грунта основания сваи с предельными значениями Ури (табл. 1). Некоторое увеличение объемов геологических изысканий для получения характеристик изменчивости обес-

печит необходимую надежность и эффективность сооружения.

Библиографический список

1. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1994. - 288 с.

2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Высш. шк., 1999. - 576 с.

To the question of the pile bases reliability Y. Krasnoshekov

The reliability of the pile bases is characterized by the reliability coefficient accepted depending on a way of defining bearing capacity of a pile and in special cases on the number of

piles in the base. The attempt to present the given factor as a function of general distribution of a random quantity of a single pile bearing capacity is undertaken in the article. According to this function and private values of the reliability coefficient limiting values of a variation factor are received, from comparison this data with experimental one, it is possible to find out the reliability of the base.

Рецензент: В.Н. Шестаков, доктор технических наук, профессор СибАДИ.

Статья поступила 06.03.2008 г.

УДК 691.328

ПРОЕКТ ШИРОКОМАСШТАБНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ОМСКИХ ТЭЦ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОМАРОЧНОГО ВЯЖУЩЕГО

В.С. Прокопец, доктор технических наук, профессор, СибАДИ

Аннотация. На основе многолетних исследований предложен состав золоцементной смеси, обладающей активностью, соответствующей ШПЦ 400 и БШПЦ 500 - 650. Вяжущее получено применением механоактивационной технологи. Благодаря прогрессивной технологии доля портландцемента в золоцементной смеси составляет не более 30%. В 2010 году на территории Омской области планируется запустить завод по выпуску БШП 500 в объеме 1300 000 т в год, на что потребуется ежегодно более 400 тыс. т золошлаковых отходов Омских ТЭЦ - 4,5.

Введение

В настоящее время в условиях Омской области сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны повысились цены на цемент, что привело к значительному удорожанию основной группы строительных материалов и издержек их производителей, энергоресурсов, при этом покупательная способность населения осталась на прежнем уровне. С другой стороны имеется угроза экологической безопасности, которую создают золоотвалы ОАО «Омская электрогенерирующая компания», где накопилось более 58 миллионов тонн золошлаковых отходов. При этом следует отметить, что трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как золошлаковые отходы Омских ТЭЦ.

Понимая значимость для области, как проблемы стоимости вяжущих веществ, так и проблемы утилизации отходов топливно-

энергетического комплекса, кафедрой СМиСТ СибАДИ совместно с ООО нПп «ОСНОВА» создана эффективная технология по утилизации золошлаковых сырьевых материалов (ЗШСМ) и производство на их основе конкурентоспособной продукции - высокомарочного минерального вяжущего, названного - Зольцит.

Описание проекта

ООО НПП «ОСНОВА» планирует в 2010 году на территории Омской области запустить завод по утилизации четырехсот тысяч тонн в год ЗШСМ ТЭЦ-5 ТГК-11 г.Омска и двухсот тысяч тонн в год нефелинового шлама - отхода Ачинского глиноземного комбината компании РУСАЛ Ачинск Красноярского края и производству на их основе минерального смешанного вяжущего активностью М 500, аналогичное по физико-механическим характеристикам шлакопортландцементу БШЦ 500, общим объемом 1 млн. 300 тыс. тонн в год. Предприятие планируется разместить в районе отвалов золошлаковых отходов у деревни Ульяновка Омского района Омской области.________________________