CC BY
42Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.154.5
Н.С. СОКОЛОВ1'2, канд. техн. наук, директор (forstnpf@mail.ru), А.Н. СОКОЛОВ1'2, зам. директора, инженер, С.Н. СОКОЛОВ1'2, зам. директора, инженер; В.Е. ГЛУШКОВ3, канд. техн. наук, А.В. ГЛУШКОВ3, канд. техн. наук
1 ООО НПФ «ФОРСТ» (428000, Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Калинина, 109а)
2 Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова (428015, Чувашская Республика, г. Чебоксары, Московский пр., 15)
3 Поволжский государственный технологический университет (424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3)
Расчет буроинъекционных свай ЭРТ
о с» ^
повышенной несущей способности
В практике геотехнического строительства внедряется технология буроинъекционных свай, выполненных по электроразрядной технологии. Существующая методика с использованием формул из нормативных документов не позволяет в полной мере оценить напряженно-деформированное состояние в активной зоне при последовательном включении в работу уширений с ростом нагрузки на фундамент. В статье приведены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния основания буроинъекционной сваи ЭРТ, выполненной с многоместными уширениями по стволу. Расчеты выполнены в пространственной постановке с учетом стадийности приложения нагрузки и образования уплотненной зоны вокруг буроинъекционной сваи. Особое внимание уделялось различному напряженно-деформированному состоянию основания, сложенного связным и несвязным грунтом. Последовательно проведена оценка факторов, влияющих на несущую способность и осадку буроинъекционной сваи. В качестве исследуемых факторов рассматриваются количество и шаг уширений, длина буроинъекционной сваи, прочностные и деформационные характеристики окружающего грунта.
Ключевые слова: уширение, несущая способность, буроинъекционная свая ЭРТ, разрядно-импульсная технология.
Для цитирования: Соколов Н.С., Соколов А.Н., Соколов С.Н., Глушков В.Е., Глушков А.В. Расчет буроинъекционных свай ЭРТ повышенной несущей способности // Жилищное строительство. 2017. № 11. С. 20-25.
N.S. SOKOLOV1,2, Candidate of Sciences (Engineering), Director (forstnpf@mail.ru), A.N. SOKOLOV1,2, Deputy Director, Engineer, S.N. SOKOLOV1,2, Deputy Director, Engineer, V.E. GLUSHKOV3, Candidate of Sciences (Engineering), A.V. GLUSHKOV3, Candidate of Sciences (Engineering) 1 OOO NPF «FORST» (109a, Kalinina Street, Cheboksary, 428000, Chuvash Republic, Russian Federation) 2 I.N. Ulianov Chuvash State University (15, Moskovsky Avenue, Cheboksary, 428015, Chuvash Republic, Russian Federation) 3 Volga State University of Technology (3, Lenina Sq., Yoshkar-Ola, 424000, The Republic of Mari El, Russian Federation)
Calculation of Bored-Injection Piles of Improved Bearing Capacity
The technology of bored-injection piles made according to the electric-discharge technology is introduced in the practice of geo-technical construction. The existing methodology with the use of SNiP formulas doesn't allow to fully evaluate the stress-strain state in the active zone in the course of sequential inclusions of widenings in operation with the growth of loading on the foundation. The article presents results of calculations of the stress-strain state of the base of the bored-injection pile ERT made with multiple widenings along the pile shaft. Calculations were made in spatial statement with due regard for stages of load application and formation of the compacted zone around the bored-injection pile. Special attention was paid to the difference in the stress-strain state of the base composed of cohesive and non-cohesive soils. The assessment of factors influencing on the bearing capacity and settlement of the bored-injection pile was sequentially made. The number and pitch of widenings, the length of bored-injection pile, strength and deformation characteristics of the surrounding soil were considered as the factor investigated.
Keywords: pile widening, bearing capacity, electric discharge technology, jet-grouting.
For citation: Sokolov N.S., Sokolov A.N., Sokolov S.N., Glushkov V.E., Glushkov A.V. Calculation of bored-injection piles of improved bearing capacity. Zhil-ishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 11, pp. 20-25. (In Russian).
Научно-технический прогресс в сфере геотехнического строительства ставит все более сложные задачи перед проектировщиками и строителями [1-4]. Прогресс в данной сфере производства достигается путем широкого внедрения в практику строительства эффективных технологий и конструкций буроинъекционных свай ЭРТ и совершенствования методов их расчета [5]. Разработана и апробирована на многих объектах в различных регионах России совре-
2о| -
менная инвестиционная технология изготовления набивных свай по электроразрядной технологии, которая обеспечивает по длине сваи создание многоместных уширений и соответственно приводит к увеличению несущей способности в 2-2,5 раза [6-8].
Применение буроинъекционных свай ЭРТ исключает разуплотнение и расструктуривание грунта в основании за счет электрогидравлической обработки в среде мел-
^^^^^^^^^^^^^ И1'2017
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
*vl
т Ч»
Рис. 2. Объемная модель сваи ЭРТ
Рис. 1. Расчетная область МКЭразмерами ЬхахН=24л24л24м3 сваи ЭРТдлиной L=9м, d=350мм с уширениями (1), окруэк^ющего
с уширениями. Разбивка на тетраэдрические конечные элементы упл^ттжо грунта (2) и раз
бивка на конечные элементы (3)
перед импортом в ПКPlaxis
а 0 0
20
40
60
80
00
20
40
60 без ушир.
80
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 б 0
P, кН 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
P, кН
а=0 а=1м а=2м а=3м
5 10 15 20 25 30 35 40
J I* «
В я
о
■ ■
„о
й Ь $ ,:-■■
без а=0 а=1м а=2м а=3м ушир.
S, мм
без уширений а=0
S, мм
без уширений а=0
Рис. 3. Зависимость осадки буроинъекционной сваи ЭРТ от шага уширений а по стволу свай: а — связный грунт; б — несвязный грунт
а 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 б 0
. I P, кН 0
5 10 15 20 25 30 35
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
P, кН
n=0 n=1
S, мм
n=2 n=3 n=4
j
& 0
< L' ]
i
n=0 n=1 n=2 n=3 n=4
40
S, мм
Рис. 4. Зависимость S=f(P) сваи ЭРТ при различном количестве уширений п (Ь=9 м): а — связный грунт; б — несвязный грунт
козернистого бетона [9] и приводит к образованию зоны уплотнения по боковой поверхности и в плоскости острия сваи [10].
Существующая методика с использованием формул из нормативных документов не позволяет в полной мере оценить напряженно-деформированное состояние в активной
зоне при последовательном включении в работу уширений с ростом нагрузки на фундамент.
С целью увеличения несущей способности буроинъек-ционных свай ЭРТ выполняются многоместные контролируемые уширения по острию и вдоль ствола сваи. В расчете при диаметре буроинъекционной сваи ЭРТ d = 350 мм
n=4
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
а 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 б 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
0 20 40 60 80 100 120 140
■
\ 1 \
\ Ч
> ч ■
Б, мм
Р, кН 0 10 20 30 40 50 60
н г*-__
га
ч
Р, кН
Б, мм
Рис. 5. Зависимость осадки сваи ЭРТот длины L (шагуширений а=2м): а — связный грунт; б — несвязный грунт а [*10-3 т] б
■ 55
50
45
40
35
30
— 25
20
в 15
,1 10
5
я 0
п
10 10
[*10-3 т] 9 8 7 6 5
!
0 -1
— -2 -3
— -4
Рис. 6. Изолинии вертикальных (а) и горизонтальных (б) перемещений в основании сваи при Р=3000 кН (несвязный грунт)
а._. [кЫ/т2] б_
0
-25 -50 -75 -100 -125
-150 -200
-225 -250 -275 -3°°
-325 ^
-350 -375 -400 -425 -450
Рис. 7. Изолинии вертикальных стг (а) и касательных ох1 (б) напряжений в основании сваи при Р=3000 кН (несвязный грунт)
[кЫ/т2]
■ 160
140
120
■ 100
- 80
- 60
40
- 20
0
- -20
- -40
- -60
и -80 -100
-120
-140
£ -160
в связном грунте диаметр сферы уширения принят 1,3й?, в несвязном грунте, соответственно, 2d.
Для оценки влияния количества многоместных уширений (и), расстояния между уширениями (а), длины буро-инъекционных свай ЭРТ (Ь) на изменение напряженно-деформированного состояния в связном и несвязном грунте проведены численные исследования с учетом образования зон пластических деформаций в основании [11].
Для проведения анализа влияния факторов была решена пространственная упругопластическая задача метода
конечных элементов с одновременным учетом прочностных и деформационных свойств основания при использовании геотехнического комплекса Plaxis [10].
В качестве физической модели основания при решении задачи было принято условие предельного равновесия Мора-Кулона. Расчет выполняется с использованием шаговой процедуры приложения нагрузки. Учет собственного веса грунта проводился в виде начальных напряжений
Ог
УК ох
Оу
т = 0, деформированное состояние
основания определялось только от внешней нагрузки на
1_=9 м
Ь=12 м
1=15 м
1=18 м
Ь=9 м
1=12 м
1_=15 м
1_=18 м
Научно-технический и производственный журнал
м
Р=1000 кН
V
Р=1250 кН
Р=1500 кН
Р=2000кН
Рис. 8. Зарождение и развитие зон пластических деформаций в основании сваи ЭРТ L=9 м c уширениями (а=2 м, п=4) (связный грунт)
Р=500 кН
Р=1000кН
Р=2000кН
Р=3000 кН
Рис. 9. Зарождение и развитие пластических зон в основании сваи ЭРТ L=9 м c уширениями (а=2 м, п=4) (несвязный грунт)
свайный фундамент. Размеры расчетной области составляют для сваи длиной Ь = 9 м, d = 350 мм с уширениями ЬхахН = 24x24x24 м3 (рис. 1).
Расчеты фундаментов произведены для двух характерных типов основания: связный грунт и несвязный грунт с учетом образования уплотненной зоны вокруг сваи [12, 13]. В качестве связного грунта использовалась глина тугопла-стичная (у = 18 кН/м3; Е = 13,8 МПа; с = 43 кПа; ф = 16о); в качестве несвязного грунта принят песок средней крупности, средней плотности (у = 16,5 кН/м3; Е = 30 МПа; с = 1 кПа; ф = 35о).
Для буроинъекционной сваи ЭРТ непосредственно к свае примыкает зона цементации и зона уплотнения, образующаяся в результате электрогидравлического воздействия на материал сваи [14]. В расчетной схеме диаметр зоны уплотнения составляет 1,8-2^ (для связных грунтов) и 2,8-3,1 d (для несвязных грунтов), который уточняется экспериментально по уходу бетонной смеси в скважине (рис. 2). Результаты расчетов представлены на рис. 3-5.
Линии равных вертикальных перемещений (рис. 6, а) вытянуты вдоль вертикальной оси, с ростом нагрузки они концентрируются у сваи, зона развития вертикальных перемещений развивается в стороны и ниже острия сваи на расстояние 2,5-3^
Изолинии горизонтальных перемещений (рис. 6, б) имеют замкнутый характер и направлены от оси сваи. Максимальные значения горизонтальных перемещений при Р = 3000 кН зафиксированы в плоскости острия сваи и достигают значений и = 9 мм.
Изолинии вертикальных напряжений о, в активной зоне буроинъекционной сваи с уширениями с учетом природного напряженного состояния показаны на рис. 7, а. Отмечается концентрация напряжений под пятой сваи в плоскости острия и под уширениями. Распределение касательных напряжений тж имеет сложный характер (рис. 7, б), максимальные значения напряжений зафиксированы в местах расположения уширений вдоль ствола набивной сваи.
Анализ теоретических разработок и экспериментальных данных показывает, что учет особенностей поведения грунта под нагрузкой может быть достигнут при описании его деформирования с позиций пластического течения, предусматривающих одновременное существование в грунте зон допредельного и предельного равновесия [15].
Рассмотрим характер зарождения и развития зон пластических деформаций в связном грунте с ростом нагрузки на свайный фундамент (рис. 8). Образование пластических зон происходит при нагрузке Р = 1000 кН в плоскости острия сваи. С увеличением нагрузки на сваю последовательно включаются в работу уширения, расположенные вдоль ствола; при Р = 1500 кН зоны предельного состояния зафиксированы в местах расположения уширений.
Характер зарождения зон пластических деформаций в несвязном грунте несколько отличается от связного (рис. 9). Зарождение областей пластических деформаций происходит в верхней части основания сваи ЭРТ. С дальнейшим ростом нагрузки происходит расширение пластических зон в стороны и вниз.
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Для внедрения в инженерную практику результатов решений нелинейной механики грунтов при анализе влияния факторов (Р; а; и; Ь; ф; с; Е) может быть использована функция множественной регрессии:
у=А •
■ хЬ ■ ■■■ ■ xtk
(1)
В качестве функции, описывающей конечную осадку сваи ЭРТ, выбрана степенная многофакторная зависимость, а по коэффициенту эластичности степенной функции исходя из ее типа просто определяется влияние каждого фактора на результат в процентах. Общее уравнение зависимости осадки буроинъекционной сваи ЭРТ будет иметь вид:
S=AP а п Г ф с -Е
(2)
где Р - нагрузка на сваю ЭРТ, кН; а - шаг уширений по стволу сваи ЭРТ, м; и - количество уширений по стволу сваи ЭРТ начиная с пяты; Ь - длина сваи ЭРТ, м; ф - угол внутреннего трения грунта, град; с - удельное сцепление частиц грунта, кПа; Е - модуль деформации грунта, МПа; А и Ь, - регрессионные параметры.
Возможности использования упругопластического решения для определения несущей способности буронабив-ных свай ЭРТ с уширениями проверялись сопоставлением с результатами полевых испытаний свай. Проведенное сопоставление указывает на хорошее их соответствие.
Полученные результаты указывают на целесообразность использования решений нелинейной механики грунтов при проектировании фундаментов из буроинъекцион-ных свай с уширениями.
Список литературы
References
1. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 17-20.
2. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб.: Геореконструкция, 2010. 551 с.
3. Разводовский Д.Е., Чепурнова А.А. Оценка влияния усиления фундаментов зданий по технологии струйной цементации на их осадку // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 10. С. 64-72.
4. Yasuo Onishi. Fukushima and Chernobyl nuclear accidents' environmental assessments and U.S. Hanford site's waste management // Procedía IUTAM. 2014. Vol. 14, pp. 372-381. https://doi.Org/10.1016/j.piutam.2014.01.032.
5. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. М.: АСВ, 2009. 550 с.
6. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай ЭРТ // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015. № 1. С. 10-13.
7. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъекционных свай с многоместными ушире-ниями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28-34.
8. Ni J.C., Cheng W.C. Quality control of double fluid jet grouting below groundwater table: case history // Soils and foundations. 2014. No. 6, pp. 1039-1053.
9. Горбушин А.В., Рябинов В.М. Возможность использования электроразрядной технологии при строительстве в неслабых грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2008. № 6. С. 10-13.
10. Патент на полезную модель № 161650. Устройство для камуфлетного уширения набивной конструкции в грунте / Соколов Н.С., Джантимиров Х.А., Кузьмин М.В., Соколов С.Н., Соколов А.Н. Федеральная служба по интеллектуальной собственности. Заявл. 01.07.2015. Опубл. 27.04.2016. Бюл. № 12.
11. Ian Jefferson, Chris Rogers, Dimcho Evststiev, Doncho Karastanev. Improvement of collapsible loess in Eastern Europe // Ground Improvement Case Histories. 2015, pp. 215-261. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100698-6.00007-6.
1. Il'ichev V.A., Mangushev R.A., Nikiforova N.S.. Development of underground space in large Russian cities. Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov. 2012. No. 2, pp. 17-20. (In Russian).
2. Ulitsky V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Geotehnicheskoe coprovozchgenie razvitiya gorodov [Geotechical support of urban development]. Saint Petersburg: Georeconstructsiya. 2010, p. 551.
3. Razvodovskij D.E., Chepurnova A.A. Assessing the impact of underpinning of building foundations using the jet-grouting technology on its settlements. Promyslennoe i Grazchdanskoe Stroitelstvo. 2016. No. 10, pp. 64-72. (In Russian).
4. Yasuo Onishi. Fukushima and Chernobyl nuclear accidents' environmental assessments and U.S. Hanford site's waste management. Procedia IUTAM. 2014. Vol. 14, pp. 372-381. https://doi.org/10.10167j.piutam.2014.01.032.
5. Ter-Martirosyan Z.G. Mekhanika gruntov [Mekhanik of soil]. Moscow: ASV. 2009. 550 p. (In Russian).
6. Sokolov N.S. Ryabinov V.M. About one method of continuous flight augering EDT-piles carrying capacity calculation, Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov. 2015. No. 1, pp. 10-13. (In Russian).
7. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About effectiveness of the appliance of continuous flight augering piles with multiple caps using electric-discharge technology. Geotehnika. 2016. No. 2, pp. 28-34. (In Russian).
8. Ni J.C., Cheng W.C. Quality control of double fluid jet grouting below groundwater table: case history. Soils and foundations. 2014. No. 6, pp. 1039-1053.
9. Gorbushin A.V., Ryabinov V.M. Possibility of use of electro-discharge technology at the construction in rather strong soil. Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov. 2008. No. 6, pp. 10-13. (In Russian).
10. Patent RF № 161650. Ustrojstvo dlya kamufletnogo ushireniya nabivnoj konstrukcii v grunte [The device for comouflage broadening of the stufted design in soil]. Sokolov N.S., Djantimirov H.A., Kuzmin M.V., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Declared 1.07.2015. Published 27.04.2016. Bulletin No. 12. (In Russian).
11. Ian Jefferson, Chris Rogers, Dimcho Evststiev, Doncho Karastanev. Improvement of collapsible loess in Eastern Europe. Ground Improvement Case Histories. 2015, pp. 215261. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100698-6.00007-6.
Научно-технический и производственный журнал
12. Yao Yuan, Shui-Long Shen, Zhi-FengWang, Huai-Na Wu. Automatic pressure-control equipment for horizontal jet-grouting // Automation in Construction. 2016. Vol. 69, pp. 11-20.
13. Peter G. Nicholson. Admixture soil improvement // Soil Improvement and Ground Modification Methods. 2015, pp. 231-288. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-408076-8.00011-X.
14. Peter G. Nicholson. Objectives and approaches to hydraulic // Soil Improvement and Ground Modification Methods. 2015, pp. 151-187. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-408076-8.00007-8.
15. Ghassem Jalilian Khave. Delineating subterranean water conduits using hydraulic testing and machine performance parameters in TBM tunnel post-grouting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. Vol. 70, pp. 308-317. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2014.04.013.
12. Yao Yuan, Shui-Long Shen, Zhi-FengWang, Huai-Na Wu. Automatic pressure-control equipment for horizontal jet-grouting. Automation in Construction. 2016. Vol. 69, pp. 1120. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2016.05.025.
13. Peter G. Nicholson. Admixture soil improvement. Soil Improvement and Ground Modification Methods. 2015, pp. 231-288. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-408076-8.00011-X.
14. Peter G. Nicholson. Objectives and approaches to hydraulic. Soil Improvement and Ground Modification Methods. 2015. pp. 151-187. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-408076-8.00007-8
15. Ghassem Jalilian Khave. Delineating subterranean water conduits using hydraulic testing and machine performance parameters in TBM tunnel post-grouting. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. Vol. 70, pp. 308-317. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2014.04.013.
ИНФОРМАЦИЯ
В России впервые пройдет заседание международного технического комитета ^ОДС 71
Подготовке к проведению в России XXIV сессии ТК 71 «Бетон, железобетон, преднапряженный железобетон» международной организации по стандартизации ISO было посвящено совещание, состоявшееся в Минстрое РФ под председательством замглавы Минстроя России, председателя ТК 465 Х.Д. Мавлиярова.
ТК 71 «Бетон, железобетон, преднапряженный железобетон» международной организации по стандартизации ISO существует с 1949 г., секретариат комитета работает на базе института ANSI (American National Standard Institute), американского института по бетону. Комитетом разработано и опубликовано 45 стандартов. В работе комитета принимают участие 38 стран, как постоянные участники и 58 стран в качестве наблюдателей. Активное участие в работе ТК 71 в России принимают ученые и специалисты НИИЖБ АО «НИЦ Строительство», возглавляет рабочую группу Л.И. Ёлши-на, канд. техн. наук, ученый секретарь ЦДУ РАН.
Ожидается, что в работе XXIV сессии ТК 71 «Бетон, железобетон, преднапряженный железобетон» примут участие порядка 150 иностранных экспертов из более чем 20 стран мира.
В рамках прошедшего совещания в Минстрое РФ обсуждались вопросы оптимизации состава оргкомитета, программы открытой части сессии, в которой могут принять участие российские ученые и специалисты, культурных мероприятий, призванных продемонстрировать зарубежным коллегам достижения в области бетона и железобетона, претворенных в жизнь. Руководство работой по подготовке заседания ТК 71 «Бетон, железобетон и преднапряженный железобетон» возложено на ФАУ «ФЦС», ТК 465 и специалистов НИИЖБ им. А.А. Гвоздева НИЦ «Строительство».
В ближайшее время будут утверждены темы и вопросы мероприятия. По мнению экспертов, необходимо обширное обсуждение вопросов долговечности железобетона, усиления и ремонта конструкций, в том числе композитными материалами, вопросы технологий новых, сверхпрочных тяжелых бетонов и сверхлегких бетонов, новых добавок и модификаторов, применяемых на уникальных объектах. Следующее заседание оргкомитета запланировано на январь 2018 г.
Собственная информация
