CC BY
13УДК 624.154.001.4
И. В. Носков, А. В. Копылов, А. Г. Суртаев, В. В. Бессонов
Определение несущей способности свай винтовых конусно-спиральных по действию крутящего момента
Поступила 22.02.2019
Рецензирование 27.03.2019 Принята к печати 01.04.2019
В статье приводятся основные преимущества свай винтовых конусно-спиральных (СВКС). Содержатся цель и постановка задач исследования по определению несущей способности СВКС по действию крутящего момента. Описаны основные методы определения несущей способности свай по существующим нормативным документам. Показано, что разностороннее использование СВКС требует разработки более простой и недорогой методики определения их несущей способности. Приведены преимущества метода определения несущей способности свай по крутящему моменту по сравнению с другими методами. Описан разработанный испытательный стенд - унифицированная мобильная установка по испытанию СВКС в натурных (полевых) условиях, представляющая собой сборно-разборную металлическую стержневую конструкцию пирамидального типа с треугольным основанием, рассчитанную на нагрузку до 300 кН, и выполненная по схеме, принципиально отличающейся от существующих, для возможности неоднократного монтажа и демонтажа, а также обеспечения возможности перевозки малотоннажными транспортными средствами.
На основании проведенных полевых испытаний винтовых свай исследована их работа в данных инженерно-геологических условиях, получены графики зависимости осадки от нагрузки и определено среднее значение крутящего момента, возникающего при закручивании последних 500 мм длины сваи. Описаны порядок проведения эмпирических исследований работы и определения несущей способности оцинкованных многолопастных винтовых свай по действию крутящего момента, сравнение несущей способности, полученной экспериментально и теоретически, разработка математической зависимости несущей способности винтовых свай от среднего значения крутящего момента. Проведенные исследования подтвердили, что определение несущей способности винтовых многолопастных СВКС на сжимающие нагрузки по значению крутящего момента при их погружении - достоверный, простой и эффективный метод.
Ключевые слова: винтовые сваи, грунт, основание, метод определения несущей способности, нагрузка, установка УУ-СВКС, испытание свай, несущая способность, крутящий момент.
Свая винтовая конусно-спиральная (СВКС) -тип свай, заглубляемых в грунт методом завинчивания (рис. 1). Основной отличительной особенностью СВКС является применение лопастей малых диаметров с большим количеством витков. В современном строительстве данный тип свай получает все более широкое распространение при возведении зданий и сооружений.
Это связано с основными преимуществами СВКС:
- короткими сроками устройства фундамента и низкой трудоемкостью;
- независимостью от времени года;
- отсутствием земляных работ;
- отсутствием необходимости в габаритном дорогостоящем оборудовании для установки;
- возможностью использования на участках с непостоянным рельефом;
- возможностью доставки в труднодоступные районы и установки в них;
- отсутствием динамической составляющей при закручивании.
Разностороннее использование данного типа фундамента требует достоверной, простой и недорогой методики определения несущей способности, чтобы исключить возможность аварий в результате неправильного применения винтовых свай.
На данный момент согласно действующим нормативным документам [1-3] существуют следующие методы определения несущей способности сваи:
- полевые испытания свай статической нагрузкой;
- полевые динамические испытания свай;
- испытания грунтов эталонной сваей;
- статическое зондирование;
- расчет.
К полевым методам испытания свай относятся статические испытания и испытания грунтов статическим зондированием в связи с высокой трудоемкостью, длительностью и необходимостью применения специального оборудования (устройство для нагружения свай, упорная конструкция, устройства изме-
Рис. 1. Разновидности винтовых свай конусно-спиральных
рения - для статических испытании; зонд, устройство для вдавливания и извлечения зонда, опорно-анкерное устройство, измерительная система - для испытаний статическим зондированием). Такие методы редко применяются для определения несущей способности винтовых свай. Как правило, стоимость подобных испытаний соизмерима со стоимостью устройства фундамента для малоэтажного жилого дома. Значение несущей способности винтовых свай, полученное расчетом по санитарным правилам, нуждается в проверке ввиду ограниченного набора табличных данных, содержащихся в правилах. В связи с вышеизложенным требуется разработка новой, более простой и недорогой методики определения предельного сопротивления винтовых свай [4-10]. Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что за рубежом несущую способность винтовых свай определяют по действию крутящего момента начиная с 1960-х гг. [11-17].
На практике для определения несущей способности СВКС на сжимающие нагрузки исполнителям работ потребуется только установить датчик крутящего момента на сваю, по которому будет фиксироваться среднее значение крутящего момента на последних 50 см погружения сваи в грунты основания, и согласно полученной эмпирической зависимости вычислить значение несущей способности сваи на вдавливающие нагрузки. Исследование работы и определение несущей способно-
сти винтовых свай по действию крутящего момента в данной работе производилось эмпирическими методами. Программа эксперимента разработана на основе ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями» [3] и ASTM D11-43/D1143M-07(2013) «Standard Test Methods for Deep Foundations Under Static Axial Compressive Load» (Стандартные методы испытания глубоких фундаментов, воспринимающих статическую центральную сжимающую нагрузку) [18].
Эксперимент определения несущей способности винтовых свай в полевых условиях производился методом статического испытания винтовых свай вдавливающей нагрузкой различной номенклатуры на одной опытной площадке. Проведены испытания пяти типоразмеров винтовых свай в двух экземплярах, всего 10 статических испытаний свай на вдавливающие нагрузки. Использовались следующие типоразмеры из номенклатуры винтовых фундаментов торговой марки «BAU» (сертификат соответствия № РОСС RU.Ar43.H02122):
1. FM24 76 х (3,5) х 1500. Общая длина 1,5 м, внешний диаметр 76,2 мм, толщина стенки трубы 3,5 мм.
2. FM24 76 х (3,5) х 2000. Общая длина 2,0 м, внешний диаметр 76,2 мм, толщина стенки трубы 3,5 мм.
3. FM24 76 х (3,5) х 2500. Общая длина 2,5 м, внешний диаметр 76,2 мм, толщина стенки трубы 3,5 мм.
4. БМ24 76 х (3,5) х 3000. Общая длина 3,0 м, внешний диаметр 76,2 мм, толщина стенки трубы 3,5 мм.
5. БМ24 76 х (3,5) х 3500. Общая длина 3,5 м, внешний диаметр 76,2 мм, толщина стенки трубы 3,5 мм.
Для испытаний винтовых свай в полевых условиях применялась унифицированная мобильная сборно-разборная установка (УУ-СВКС), разработанная на кафедре ОФИГиГ АлтГТУ под руководством заведующего кафедрой кандидата технических наук И. В. Носкова. УУ-СВКС представляет собой сборно-разборную металлическую стержневую конструкцию пирамидального типа с треугольным основанием, рассчитанную на нагрузку до 300 кН (рис. 2). Учитывая необходимость неоднократного монтажа и демонтажа, а также обеспечения возможности перевозки малотоннажными транспортными средствами, установку было решено выполнить по схеме, принципиально отличающейся от существующих [3]. Наклонные стойки и стержни основания выполнены из двух стержней, соединенных натяжными муфтами. При вращении натяжных муфт длина стержней может регулироваться в диапазоне нескольких десятков сантиметров, что обеспечивает точность совмещения фланцев анкерных свай и фланцев стенда, а также соосность приложения нагрузки на испытываемую сваю.
Номинальные размеры сторон основания стенда составляют 2,05 м, расстояния от цен-
тра анкерных свай до центра испытуемой -1,18 м. Установка сборно-разборная (рис. 3). Она была изготовлена в заводских условиях в соответствии со всеми необходимыми технологическими параметрами, допусками и размерами. ГОСТ [3] регламентирует расстояние от оси испытываемой натурной сваи до анкерной сваи, а также до опор реперной системы не менее 5а? (а? - диаметр сваи) и не менее 2 м для свай диаметром до 800 мм. При этом для винтовых свай расстояние между испытываемой и анкерной сваями в свету допускается уменьшать до 2а?. Очевидно, что для винтовых свай малого диаметра данные требования некорректны: при малых расстояниях сваи оказываются в зонах взаимного влияния.
В установке УУ-СВКС, разработанной для испытания СВКС, расстояния от центра анкерной сваи до центра испытываемой превышают 10а? испытываемой сваи.
Ниже представлены схемы УУ-СВКС и установки в натурных (полевых) условиях для испытания СВКС на статические сжимающие (рис. 4) и выдергивающие (рис. 5) нагрузки.
Загружение свай осуществляется с помощью гидравлического домкрата грузоподъемностью 300 кН. Гидравлический домкрат позволяет обеспечить плавность загружения и непрерывный контроль за нагрузкой по образцовому манометру. Перед проведением испытаний домкрат прошел тарировку.
Рис. 3. Установка УУ-СВКС в разобранном виде
Рис. 4. Установка УУ-СВКС для испытания на сжимающие нагрузки: а - схема; б - внешний вид в полевых условиях
Рис. 5. Установка УУ-СВКС для испытания на выдергивающие нагрузки: а - схема; б - внешний вид в полевых условиях
При испытании свай на сжимающие нагрузки (см. рис. 4) домкрат устанавливается непосредственно на испытуемую сваю. Упором домкрата в этом случае служит стойка трубчатой конструкции, соединенная шар-нирно с упорной площадкой стенда.
При испытании свай выдергивающими нагрузками (см. рис. 5) домкрат устанавливается на упорную площадку, усилие от него передается через систему тяг, соединенных с испытываемой сваей.
Для измерения осадки СВКС на выдергивающие и сжимающие нагрузки применяются механические приборы: индикаторы часового типа ИЧ-50 (цена деления 0,01 мм) и прогибо-меры Максимова ПМ-3 (цена деления 0,1 мм). Держатели приборов устанавливаются на расстоянии 0,8 м от центра опытной сваи, что составляет не менее 7d свай. Вертикальные перемещения анкерных свай контролируются с помощью индикаторов часового типа ИЧ-10-2М. Крутящий момент замеряется при помощи датчика крутящего момента Delta IKM 60, установленного на оборудование для закручивания свай. Для закручивания испытываемых и анкерных свай используется самоходная установка.
Испытания проводились на экспериментальной площадке с несущим грунтом основания - супесью лессовидной высокопористой твердой.
Согласно действующим нормативным документам испытания свай производились после «отдыха» продолжительностью 1 сут с целью стабилизации в грунте поровых давлений до начального уровня.
Нагружение винтовой сваи происходило равномерно, ступенями нагрузки, равными 1/10 от несущей способности, вычисленной согласно методике, приведенной в СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты».
Снятие отчетов производилось на каждой ступени нагружения по всем приборам в следующей последовательности:
• нулевой отчет - перед нагружением сваи;
• первый отчет - сразу после приложения нагрузки;
• последовательно три отчета с интервалом 30 мин и далее - через каждый час до затухания перемещения.
Критерием условной стабилизации была осадка сваи на данной ступени нагружения, не превышающая 0,1 мм за последние 60 мин наблюдений для глинистых грунтов от твердой до тугопластичной консистенции, но не более чем за 2 ч. По возможности нагрузка доводилась до значения, при котором осадка составляла не менее 40 мм.
Разгрузка сваи производилась после достижения наибольшей нагрузки ступенями, равной удвоенным значениям ступеней загружения. Выдержка каждой ступени составляла 15 мин. Отчеты снимались сразу после каждой ступени и через 15 мин.
После полной разгрузки производилось наблюдение за упругим перемещением сваи в течение 60 мин со снятием отчета каждые 15 мин.
Графики зависимости осадки от нагрузки показаны на рис. 6-10.
Несущая способность и значения крутящего момента винтовых свай по данным испытаний приведены в табл. 1. На рис. 11 показано соотношение определенной по СП 24.13330.2011 (табл. 2) и экспериментальной несущей способности исследуемых винтовых свай.
Разработка математической зависимости несущей способности винтовых свай от среднего значения крутящего момента осуществлялась построением модели парной регрессии (или однофакторной модели), которая заключается в нахождении уравнения связи двух показателей: несущей способности винтовой сваи и момента, возникающего при закручивании данной сваи.
Рассмотрены уравнения степенной, показательной и гиперболической моделей парной регрессии:
- уравнение степенной модели:
у = 24,845 х0'961;
- уравнение показательной модели:
у = 12,845 • 1,949х;
- уравнение гиперболической модели: 40,967
У = 66,821 -х
На основании сравнения индекса детерминации, средней ошибки аппроксимации и Б-критерия Фишера выбрана степенная модель парной регрессии: у = 24,845х0,961.
Рис. 6. Графики зависимости осадки от нагрузки для свай FM24 76 х (3,5) х 1500
Рис. 7. Графики зависимости осадки от нагрузки для свай FM24 76 х (3,5) х 2000
Рис. 8. Графики зависимости осадки от нагрузки для свай FM24 76 х (3,5) х 2500
РМ24 76х(3,5)х3000
О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 р кН
5 —»— РМ24 76х(3.5)х3000 (1)
г
<л —■— РМ24 7&Х[3.51*3000 [21
Рис. 9. Графики зависимости осадки от нагрузки для свай FM24 76 х (3,5) х 3000
РМ24 76х(3.5)х3500
О [Л
3
а я я я ¡я
8
£ Т. т
Рис. 10. Графики зависимости осадки от нагрузки для свай FM24 76 х (3,5) х 3500
Таблица 1
Сводная таблица несущей способности и крутящего момента свай
Номер сваи Наименование сваи Несущая способность, кН Крутящий момент, кН-м
1 FM24 76 х (3,5) х 1500 (1) 20,0 0,8
2 FM24 76 х (3,5) х 1500 (2) 22,5 0,91
3 FM24 76 х (3,5) х 2000 (1) 28,0 1,21
4 FM24 76 х (3,5) х 2000 (2) 28,0 1,08
5 FM24 76 х (3,5) х 2500 (1) 40,0 1,65
6 FM24 76 х (3,5) х 2500 (2) 35,0 1,42
7 FM24 76 х (3,5) х 3000 (1) 42,0 1,61
8 FM24 76 х (3,5) х 3000 (2) 36,0 1,5
9 FM24 76 х (3,5) х 3500 (1) 52,5 2,25
10 FM24 76 х (3,5) х 3500 (2) 52,5 2,15
0 7.5 15 22.5 30 37.5 45 52.5 60 67.5 р кН
—■—РМ24 76х(3.5^35С0 ¡2)
Следовательно, зависимость между кру- жет быть охарактеризована как степенная, тящим моментом и несущей способностью прямая.
винтовых свай в выбранных грунтовых условиях с высокой степенью достоверности мо -
Все рассмотренные модели парной регрессии показаны на рис. 12.
Рис. 11. Соотношение вычисленной и экспериментальной несущей способности винтовых свай
Таблица 2
Несущая способность, вычисленная по методике СП 24.13330.2011
Номер сваи Наименование сваи Несущая способность кН
1 БЫ24 76 х (3,5) х 1500 11,2
2 БЫ24 76 х (3,5) х 2000 15,6
3 БЫ24 76 х (3,5) х 2500 20,3
4 БЫ24 76 х (3,5) х 3000 25,5
5 БЫ24 76 х (3,5) х 3500 30,3
Рис. 12. Графики моделей парной регрессии
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. На основании проведенных полевых испытаний винтовых свай исследована их работа в данных инженерно-геологических условиях, получены графики зависимости осадки от нагрузки и определено среднее значение крутящего момента, возникающего при закручивании последних 500 мм длины сваи.
2. Сравнивая значения несущей способности винтовых свай, определенные аналитическим и экспериментальным путем, можно отметить, что расчетный метод содержит стабильный запас, но проведение испытаний по описанной в работе ме-
тодике позволит более рационально использовать фактические резервы несущей способности.
3. Произведена статистическая обработка полученного ряда данных, на основании которой выбрана степенная модель парной регрессии. Принятая модель достаточно точно описывает связь между крутящим моментом и несущей способностью. Индекс детерминации принятой модели степенной регрессии равен $2 = 0,986, следовательно, изменение несущей способности на 98,6 % обусловлено изменением крутящего момента и только на 1,4 % связано с влиянием прочих факторов, не исследуемых в данной модели.
Библиографический список
1. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. : ЦПП, 2011. 90 с.
2. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М. : Госстрой России : ЦПП, 2004. 160 с.
3. ГОСТ 5686-2012. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. М. : Стандартинформ, 2014. 43 с.
4. Халтурин А. Ю. Определение несущей способности винтовых свай в грунтовых основаниях по величине крутящего момента // Ползуновский вестник. 2012. № 1/2. С. 117-121.
5. Носков И. В., Копылов А. В. Исследование работы и определение несущей способности оцинкованных многолопастных винтовых свай по действию крутящего момента // Ползуновский альманах / Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова. Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2016. № 3. С. 159-164.
6. Носков И. В. Определение несущей способности оцинкованных многолопастных винтовых свай // Ползуновский альманах / Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова. Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2016. № 3. С. 155-158.
7. Полищук А. И., Максимов Ф. А. Инженерный метод расчета осадки винтовой двухлопастной сваи в глинистом грунте // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2017. № 6. С. 9-14.
8. Носков И. В., Копылов А. В. Общие положения по расчету свай винтовых конусно-спиральных // Ползуновский альманах / Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова. Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2017. № 2. С. 197-206.
9. 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.
10. Носков И. В., Суртаев А. Г. Определение несущей способности на сжимающую нагрузку свай винтовых конусно-спиральных (СВКС) по действию крутящего момента // Ползуновский альманах / Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова. Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2018. № 1. С 162-166.
11. Radhakrishna H. S. Helix anchor tests in sand In : Essa TS (ed). Resesarch report number 76-130-k, Ontario Hydro Research Division, Toronto, 1976.
12. Hoyt R. M, Clemence S. P. Uplift Capacity of Helical Anchors in Soil // Proceedings of the 12th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Rio de Janeiro, 1989. Vol. 2. P. 1019-1022.
13. Ghaly A., Hanna A., HannaM. Installation torque of screw anchor in dry sand // Soils and foundations. 1991. Vol. 31, № 2. P. 77-92.
14. Ghaly A. Drivability and pullout resistance of helical units in saturated sands // Soils and foundations. 1995. Vol. 35, № 2. P. 61-66.
15. Perko H. A. Energy Method for Predicting the Installation Torque of Helical Foundations and Anchors. New Technological and Design Developments in Deep Foundations. ASCE, 2000. P. 342-352.
16. Livneh B., El Naggar M. H. Axial testing and numerical modeling of square shaft helical piles under compressive and tensile loading // Canadian Geotechnical Journal. 2008. Vol. 45, № 8. P. 1142-1155.
17. Tsuha C., Aoki N. Relationship between installation torque and uplift capacity of deep helical piles in sand // Canadian Geotechnical Journal. 2010. Vol. 47, № 6. P. 635-647.
18. ASTM D1143/D1143M-07(2013). Standard Test Methods for Deep Foundations Under Static Axial Compressive Load // Subcommittee D18.11 on Deep Foundations.
I. V. Noskov, A. V. Kopylov, A. G. Surtayev, V. V. Bessonov
Conical-Spiral Screw Piles Bearing Capacity Determination by the Action of Rotational Torque
Abstract. The article presents the main advantages of conical spiral screw piles (CSSP). The goal and setting of research tasks to determine the bearing capacity of the CSSP by the action of torque is given. The basic methods for determining the bearing capacity of piles according to the existing regulatory documents are described. The article shows that the versatile use of CSSP requires the development of a more simple and inexpensive method of determining their carrying capacity. The advantages of the piles bearing capacity determining method by torque compared with other methods are given. The developed test bench is described - a unified mobile collapsible installation for testing the CSSP in-situ (field) conditions, which is a collapsible metal rod structure of a pyramidal type with a triangular base, designed for loads up to 300 kN, and performed according to a scheme fundamentally different from existing, for the possibility of repeated installation and dismantling, as well as ensuring the possibility of light vehicles transportation.
On the basis of screw piles field tests, their work was studied in the given geotechnical conditions, graphs of the dependence on the load were obtained, and the average value of the torque that occurs when the last 500 mm of the pile length was tightened. The article describes the procedure for conducting empirical studies of work and determining the carrying capacity of galvanized multi-blade screw piles according to the effect of torque, comparing the bearing capacity obtained experimentally and theoretically, developing a mathematical dependence of the bearing capacity of screw piles from the average torque value. Studies have confirmed the ability to determine the carrying capacity of multi -blade CSSP for compressive loads by the torque value when they are immersed as a reliable, simple and effective method.
Key words: screw piles; soil; base; method; load; installation of UI-CSSP; test of piles; bearing capacity; torque.
Носков Игорь Владиславович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ им. И. И. Ползунова. E-mail: noskov.56@mail.ru.
Копылов Антон Владимирович - магистр, ведущий специалист ООО «ГеоПроектСтройАлтай». E-mail: kopylov.ant@gmail.com
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
