CC BY
20
Вестник ТГАСУ № 2, 2013
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.159.5
ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ofpai@mail.ru
Кубанский государственный аграрный университет,
350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
ПЕТУХОВ АРКАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, paa5579@mail.ru
ТАРАСОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ, аспирант, tar.a.a@mail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЯ ВДАВЛИВАНИЯ ИНЪЕКТОРА ИНЪЕКЦИОННОЙ СВАИ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ
Рассмотрен инженерный метод определения усилия вдавливания инъектора инъекционных свай в глинистых грунтах, который базируется на рекомендациях СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений», позволяющих устанавливать вертикальную составляющую силы предельного сопротивления основания, сложенного нескальными (глинистыми) грунтами в их стабилизированном состоянии. Приведено сравнение экспериментальных и теоретических данных. Даны рекомендации для практического применения предлагаемого метода.
Ключевые слова: инъекционная свая; инъектор; усилие вдавливания; предельное сопротивление грунта.
ANATOLIY I., POLISCHUK, Dr Tech. Sc., Prof, ofpai@mail.ru
Kubanskiy State Agrarian University,
13 Kalinina st., Krasnodar, 350044, Russia ARKADIY A. PETUKHOV, Ph.D., Assoc. Prof., paa5579@mail.ru ALEKSANDER A. TARASOV, P.G., tar.a.a@mail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
© А.И. Полищук, А.А. Петухов, А.А. Тарасов, 2013
DETERMINATION OF EFFORTS TOWARDS THE PENETRATION OF INJECTORS OF INJECTION PILE IN CLAY SOILS
The engineering method for determination of efforts towards the penetration of injector of injection piles in clay soil is considered in the article. This method is based on the recommendations of SNiP (Construction norms and rules) 2.02.01-83* «Foundation of buildings and constructions», allowing to set the vertical component of the force of foundation limit resistance, laid out not rocky (clay) soils in their stabilized state. The comparison of experimental and theoretical data was carried out. Recommendations for practical application of the proposed method are given.
Key words: injection piles; injector; efforts of penetration; limit resistance of the soil.
В Томском государственном архитектурно-строительном университете (ТГАСУ) разработан способ устройства инъекционных свай в глинистых грунтах [1, 2]. Основная область применения таких свай - усиление фундаментов реконструируемых (восстанавливаемых) зданий. Под инъекционными понимаются сваи, которые формируются в предварительно подготовленных скважинах путём инъекции под давлением подвижной бетонной смеси с последующей опрессовкой околосвайного грунта (А.И. Полищук, А.А. Петухов. Совершенствование способа устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий. Томск, 2005). Для устройства инъекционных свай применяют инъекторы из перфорированных стальных труб различного диаметра (преимущественно 57 и 108 мм), которые вдавливают в грунт до заданной глубины. В инъекторе предусмотрены уши-рения в уровне нижнего конца, а также по его длине (чаще на границах зон перфорации). Уширения по длине ствола инъектора выполняются в виде нескольких стальных плоских дисков (колец) большего диаметра. Уширение в уровне нижнего конца - в виде одного плоского диска с конусными стальными пластинами (рис. 1).
Особенность рассматриваемой конструкции инъектора заключается в том, что при его вдавливании в грунт между инъекторной трубой и стенкой скважины образуется воздушный зазор, впоследствии заполняемый бетоном. Наличие воздушного зазора приводит к устранению сил трения по боковой поверхности инъектора в процессе его погружения. Следует отметить, что при устройстве инъекционных свай в слабых глинистых грунтах с показателем текучести IL > 0,75 воздушный зазор может оплывать раньше, чем заканчивается процесс погружения инъектора. Однако в этом случае инъекторная труба соприкасается с разуплотненным слабым глинистым грунтом нарушенной структуры, и силы трения при погружении будут незначительны. По результатам исследований, выполненных А.А. Петуховым, Р.В. Шалгиновым и др. (2003-2005 гг.) было установлено, что усилие вдавливания инъектора в глинистый грунт, за счет наличия воздушного зазора, может снижаться в 1,5-4 раза [3].
Вдавливание инъектора производят обычно секциями по 0,5-1,2 м, которые соединяют между собой на сварке. В качестве упоров при их вдавлива-
нии используют специальные приспособления, а также существующие строительные конструкции зданий (фундаменты, ростверки и др.).
а
б
Рис. 1. Конструкция инъектора для устройства инъекционных свай [1]:
а - общий вид инъектора; б - уширение инъектора в уровне его нижнего конца;
1 - стальная перфорированная труба; 2 - уширение в уровне нижнего конца инъектора в виде стального плоского диска; 3 - конусные стальные пластины; 4 - воздушный зазор между инъектором (инъекторной трубой) и стенкой скважины; 5 - уширения по длине ствола инъектора в виде стальных плоских дисков (колец)
Практический опыт устройства инъекционных свай в глинистых грунтах Томской и Кемеровской областей (с 2003 г.) вызвал необходимость совершенствования метода расчёта усилия вдавливания инъектора Лвд в грунт, который позволял бы выбирать технологические параметры вдавливающего оборудования. При совершенствовании метода расчета усилия вдавливания принималось во внимание следующее:
1. Сопротивление глинистого грунта вдавливанию инъектора происходит только в уровне его нижнего конца (под остриём). Силы трения по боковой поверхности инъектора либо отсутствуют, либо малы, и в расчёте их можно не учитывать.
2. Точность метода расчета должна быть достаточной, чтобы подобрать технологические параметры оборудования для вдавливания инъектора в глинистый грунт.
Рассмотрим схему погружения инъектора в глинистый грунт. Этот процесс сопровождается перемещением частиц грунта в стороны и вниз от вертикальной оси (уровень отметки низа инъектора). С ростом вдавливающего усилия состояние грунта на отметке низа инъектора изменяется. Вначале (первый
этап), при нагрузке меньше начальной критической (по Н.А. Цытовичу), под нижним плоским диском инъектора развивается процесс уплотнения грунта [4]. Грунт перемещается преимущественно вдоль вертикальной оси. С ростом нагрузки под нижним концом инъектора формируются зоны сдвигов (зоны пластических деформаций) и происходит вытеснение грунта в стороны от оси инъектора. Дальнейшее увеличение нагрузки до предельной критической приводит к потере устойчивости грунта (второй этап вдавливания) под нижним концом инъектора (рис. 2). Второй этап вдавливания характеризуется ростом перемещений грунта без существенного увеличения нагрузки на инъектор.
Рис. 2. Схема перемещения грунта в уровне нижнего конца инъектора:
1 - перфорированная инъекторная труба; 2 - уширение инъектора в виде стального плоского диска с конусными пластинами; 3 — воздушный зазор между инъ-екторной трубой и стенкой скважины; 4 - зоны сдвигов (зоны пластических деформаций) грунта
Очевидно, что перемещения грунта на первом этапе не велики по сравнению с длиной инъектора, и ими можно пренебречь. Основная доля перемещений инъектора вдоль вертикальной оси происходит после достижения предельной критической нагрузки на грунт. Следовательно, за усилие вдавливания Ывд можно принять значение, которое соответствует предельной критической нагрузке на грунт в основании нижнего конца инъектора.
Для определения усилия вдавливания Ывд инъектора в глинистый грунт воспользуемся рекомендациями СНиП 2.02.01-83* [5], позволяющими устанавливать вертикальную составляющую силы предельного сопротивления N
основания, сложенного нескальными (глинистыми) грунтами в их стабилизированном состоянии:
Ни = Ь'1' (Н1 ^ Ь'У/ + N ^ у ), (1)
где все условные обозначения приняты согласно [5].
Исходными данными для получения формулы (1) являлись решения Л. Прандтля (1921 г.), Г. Рейснера (1924 г.), К. Терцаги (1943 г.) и др. по определению предельных критических нагрузок на грунтовые основания в условиях плоской задачи.
Считаем, что вдавливаемый инъектор имеет плоскую круглую подошву радиусом г. Значение максимального усилия вдавливания Ывд будет достигнуто, если в формуле (1) при эксцентриситете приложения вертикальной нагрузки, равном нулю, Ь' = Ь, 1' = 1; Ь = I = ж-г/2 - приведённые размеры подошвы инъектора, г - радиус стального плоского диска в уровне низа инъектора [6]. Тогда уравнение (1) примет вид
Яи = Явд = (л г)2 (М"£уЬу1 + N^^С1 ) . (2)
С использованием формулы (2) были рассчитаны усилия вдавливания инъекторов длиной от 2 до 10 м в глинистые грунты различного состояния (показатель текучести 1Ь = 0,25-0,75). Расчёты показали, что усилие вдавливания существенным образом зависит от длины инъектора и прочностных характеристик глинистого грунта (рис. 3). Так, для инъектора длиной 5 м усилие вдавливания Ывд в суглинках тугопластичных может составлять 25-52 кН (2,5-5,2 тс), для инъекторов длиной 10 м - 46-92 кН (4,6-9,2 тс) в зависимости от прочностных характеристик суглинка. В суглинках мягкопластичных для инъекторов длиной 5 м усилие вдавливания Ывд может быть в пределах 16-32 кН (1,6-3,2 тс), а для инъекторов длиной 10 м Ывд может составлять 31-58 кН (3,1-5,8 тс).
Экспериментальные исследования усилий вдавливания Ывд инъекторов были выполнены А.А. Петуховым, Р.В. Шалгиновым, А.А. Тарасовым в 2003-2006 гг. под общим научным руководством д.т.н., профессора А.И. Полищука. Эксперименты проводились на трёх площадках, сложенных глинистыми грунтами. Всего было устроено 10 инъекторов различной длины и диаметра. Их вдавливание выполнялось гидравлической системой буровой установки УГБС-1ВС и специальным гидроцилиндром с маслонасосной станцией. Усилия вдавливания определялись по рабочим манометрам, а для контроля дополнительно проверялись показаниями гидравлического домкрата, предварительно оттарированного в лаборатории. Экспериментальные и расчетные (теоретические) данные по усилиям вдавливания Квд инъекторов в глинистые грунты приведены в таблице.
Сопоставление показало, что расчетные данные по усилиям вдавливания Явд инъекторов в большинстве случаев совпадают с результатами экспериментов. Отклонения в пределах 36-56 % отмечены только для двух инъекторов ИТ-2 и ИТ-5 (36,1 и 56,1 % соответственно). Отклонения расчетных значений от экспериментальных можно объяснить наличием сил трения на
боковой поверхности инъекторов, возникающих вследствие незначительного превышения диаметра уширения к диаметру инъекторной трубы. На других инъекторах отклонения колеблются в пределах от 0,5 до 24 % и в среднем составляют 9 %.
а
ЛВд, кН
Ь, м
б
Л^вд, кН
Рис. 3. Зависимости усилия вдавливания Лвд инъекторов от их длины: а - суглинки тугопластичные; б - суглинки мягкопластичные;
1 - е = 0,45; ф = 24 град; с = 39 кПа; 2 - е = 0,45; ф = 17 град; с = 15 кПа; 3 - е = 0,65; ф = 19 град; с = 25 кПа; 4 - е = 1,05; ф = 12 град; с = 12 кПа
Сопоставление экспериментальных и теоретических данных по оценке усилия вдавливания инъекторов в глинистые грунты
Инъекторы Место проведения экспериментов, год Грунты под остриём инъектора Глубина погружения инъектора, диаметр трубы/уширения нижнего конца Экспериментальные значения усилия вдавливания Ывд, кН, на рассматриваемой глубине Теоретические значения усилия вдавливания Ывд, кН, на рассматриваемой глубине Отклонение экспериментальных и теоретических данных, %
ИТ-2 г. Кемерово, 2003 г. Суглинок лёссовидный текучий 5 м, 108/148 мм 26,2 16,77 -36,0
ИТ-3 г. Кемерово, 2003 г. Суглинок лёссовидный текучий 5 м, 108/188 мм 28,3 27,69 -2,0
ИТ-5 г. Кемерово, 2003 г. Суглинок лёссовидный текучий 3,5 м, 57/78 мм 8,0 3,51 -56,0
ИТ-6 г. Кемерово, 2003 г. Суглинок лёссовидный текучий 3,5 м, 57/100 мм 5,5 5,77 +5,0
ИТ-7 ИТ-8 г. Томск, 2005 г. Супесь песчанистая текучая 1,5 м, 108/188 мм 24,5 18,49 -24,5
21,0 -13,5
СИ-1 г. Томск, 2005 г. Супесь песчанистая текучая 4,6 м, 108/188 мм 44 45 +0,5
СИ-2 50 -11
СИ-3 47 -4,5
СИ-4 48,5 -8,0
Примечание. Знак «+» означает, что расчетное значение усилия вдавливания превышает экспериментальное, знак «-» - обратное.
Для практического определения усилия вдавливания Ивд инъектора в глинистый грунт формулу (2) рекомендуется усовершенствовать путём введения в неё дополнительного коэффициента £цоп, который позволяет сблизить данные эксперимента и расчёта. В этом случае формула (2) будет иметь вид
N7 = Кт (* ^)2( ьу I + ы9 % 9 у\а + ыс % А), (3)
где клоп - коэффициент, принимаемый 1,1; остальные обозначения те же, что и в формуле (2).
Таким образом, сравнение экспериментальных и теоретических данных позволило обосновать возможность использования предложенного метода для определения усилия вдавливания инъектора в глинистый грунт.
Библиографический список
1. Способ устройства инъекционной сваи : пат. на изобретение № 2238366 Рос. Федерация: Е 02 Б 5/34 / А.И. Полищук, О.В. Герасимов, А.А. Петухов, Ю.Б. Андриенко, С.С. Нуйкин ; заявл. 04.03.2003 ; опубл. 20.10.2004, Бюл. № 29.
2. Инъекционная свая : пат. на полезную модель № 87718 Рос. Федерация: Е 02Д 5/34 / А.И. Полищук, А.А. Тарасов, Р.В. Шалгинов ; заявл. 11.01.2009 ; опубл. 20.10.2009, Бюл. № 29.
3. Экспериментальные исследования работы инъекционных свай в глинистых грунтах, устроенных методом высоконапорной инъекции / А.И. Полищук, А.А. Петухов,
О.В. Герасимов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды: материалы Российской науч.-техн. конф. / Пермский гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - С. 43-47.
4. Цытович, Н.А. Механика грунтов. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 1963. -636 с.
5. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. - М. : Стройиздат, 2011. - 161 с.
6. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. - М. : Стройиздат, 1986. - 415 с.
References
1. Sposob ustroystva in"ektsiomoy svai [Method of the injection pile arrangement] : pat. na izo-bretenie № 2238366 Ros. Federatsiya: E 02 D 5/34 [Invention patent number 2238366, Russian Federation, E 02 D 5/34] / A.I. Polishchuk, O.V. Gerasimov, A.A. Petukhov, Yu.B. Andrienko, S.S. Nuykin; Appl. 04.03.2003; Publ. 20.10.2004, Bulletin № 29. (rus)
2. In"ektsionnaya svaya [Injection-pile]: pat. na poleznuyu model' : № 87718 Ros. Federatsiya. E 02D 5/34 [Invention patent number № 87718 for a utility model, Russian Federation, E 02^ 5/34] / A.I. Polishchuk, A.A. Tarasov, R.V. Shalginov; zayavl. 11.01.2009; opubl. 20.10.2009, Byul. № 29. Appl. 11.01.2009. Publ. 20.10.2009. Bulletin №.29]. (rus)
3. Polishchuk, A.I., Petukhov, A.A., Gerasimov, O.V. Eksperimental'nye issledovaniya raboty in"ektsionnykh svay v glinistykh gruntakh, ustroennykh metodom vysokonapornoy in"ektsii [Experimental studies of injecting piles in clay soils, arranged by high-pressure injection] // Problemy proektirovaniya, stroitel'stva i ekspluatatsii fundamentov, mostov i avtomobil'nykh dorog. Mekhanizatsiya stroitel'stva. Okhrana okruzhayushchey sredy: materialy Rossiyskoy nauch.-tekhn. konf. [The problems of design, construction and operation of foundations, bridges and highways. Mechanization of construction. Environmental Protection: Proceedings of the Russian scientific and engineering conference] / Perm State Technical University. - Perm', 2004. - P. 43-47. (rus)
4. Tsytovich, N.A. Mekhanika gruntov [Mechanics of soils.]. - Moscow, Stroyizdat Publ., 1963. -P. 636. (rus)
5. SP 22.13330.2011. Osnovaniya zdaniy i sooruzheniy [Foundations of buildings and constructions]. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.02.01-83* [Construction norms and rules
2.02.01-83*] / NIIOSP im. N.M. Gersevanova. - Moscow, Stroyizdat Publ., 2011. - P. 161.(rus)
6. Posobiepoproektirovaniyu osnovaniy zdaniy i sooruzheniy (k SNiP 2.02.01-83) [Manual on designing of foundations of buildings and constructions (Construction norms and rules
2.02.01-83)] / NIIOSP im. N.M. Gersevanova. - Moscow, Stroyizdat Publ., 1986. - P. 415. (rus)
