CC BY
107Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.154.34:624.131.524
Ю.М. ШЕМЕНКОВ, д-р техн. наук, А.О. ГЛАЗАЧЕВ, инженер (аШоп^1а1а^еу@таИги), ГУП институт «БашНИИстрой» (Уфа, Республика Башкортостан)
Расчет буронабивных свай по данным статического зондирования при малоэтажном жилищном строительстве
Целью данной работы является разработка методики расчета несущей способности коротких буронабивных свай в глинистых грунтах по данным статического зондирования с использованием моделирования в программном комплексе Plaxis 3D и оценка ее достоверности.
Ключевые слова: буронабивная свая, глинистые грунты, статическое зондирование, несущая способность, натурные испытания.
В настоящее время в объеме жилищного строительства заметно увеличивается доля малоэтажного жилья. Увеличение происходит как в связи с более доступной стоимостью квадратного метра, так и с развитием разного рода социальных программ по доступному жилью. Низкая стоимость такого жилья объясняется минимизацией затрат на всех этапах строительства.
В качестве фундаментов при строительстве на площадках, сложенных глинистыми грунтами, наибольшей популярностью обладают короткие буронабивные сваи с монолитным железобетонным ростверком. Длина таких свай обычно составляет 2,5-3,5 м.
На этапе проектирования фундаментов обычно используются данные инженерно-геологических изысканий с бурением скважин по укрупненным сеткам, что приводит к необходимости увеличения «запасов» при расчетах по несущей способности. Бурение скважин в «пятне» каждого здания связано со значительным удорожанием для конечного потребителя. В связи с этим существует необходимость использования более дешевых методов инженерных изысканий с достаточно высоким уровнем достоверности. Одним из таких методов можно отметить статическое зондирование грунтов. Как отмечено в [1], статическое зондирование обеспечивает оценку несущей способности свай во всех характерных участках площадки, на всех интересующих проектировщика глубинах, уступая по точности оценок только статическим испытаниям натурных свай.
Статическое зондирование успешно применяется при расчете забивных свай, чего нельзя сказать о буронабивных. В ныне действующих нормах, таких как СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», представлены таблицы для расчета буронабивных свай по данным статического зондирования. При этом действие данной методики распространяется только на сваи длиной свыше 5 м и диаметром 600-1200 мм. Таким образом, существует необходимость разработки методики расчета коротких наиболее применяемых буронабивных свай диаметром 300-600 мм по данным статического зондирования.
Эталонным методом определения фактической несущей способности любых свай является испытание статиче-
ской нагрузкой. Сложность разработки методики расчета состоит в том, что необходимо выполнить анализ большого количества результатов испытаний свай разной длины и диаметра при различных сочетаниях грунтовых условий. При этом для получения достоверных сведений необходимо знать раздельно несущую способность грунта на боковой поверхности сваи и под ее торцом. Это трудоемкий, дорогой и очень длительный процесс. Альтернативой могут служить численные исследования в различных программных комплексах с использованием нелинейных упругопластических моделей. Эти модели реализованы в таких программах, как Plaxis и Z-Soil. Моделирование статических испытаний свай в данных программных комплексах позволяет использовать любые сочетания геометрических характеристик конструкции в различных геологических условиях.
Для разработки методики расчета в программном комплексе Plaxis 3D Foundation проводились численные исследования свай различной длины диаметром (d) 300-600 мм в глинистых грунтах с индексом трения d/f=10-50. Грунт моделировался однородный и менялся в зависимости от значений статического зондирования. Определение физико-механических характеристик грунтов по значениям статического зондирования зондом II типа производилось по Рекомендациям по проведению скоростных инженерно-геологических изысканий для проектирования объектов массового строительства (Уфимский НИИпромстрой. Уфа, 1991). Для разделения работы боковой поверхности и торца каждая свая моделировалась с включением в работу торца и без него. Выключение из работы торца выполнялось путем моделирования под пятой сваи воздушной полости. После определения средних значений сопротивления грунта на боковой поверхности и под торцом сваи вычислялись переходные коэффициенты (k1 и k2). Данные коэффициенты характеризуют отношение среднего значения сопротивления грунта под торцом и на боковой поверхности сваи к сопротивлению грунта под конусом и на муфте трения зонда соответственно.
Для нахождения частного значения предельного сопротивления буронабивной сваи в точке зондирования Fu используем формулу (7.25) из СП 24.13330.2011 для забивных свай:
58
92012
Научно-технический и производственный журнал
Подземное строительство
0,10 0,20 0,30 0,40 Яисп, МПа
10
20
30
40
Рис. 1. Результаты испытания грунтов статическими нагрузками на штамп: 1—4, 7, 13 — штамп площадью 0,5м2 на глубине 3м; 5 — штамп площадью 0,5м2 на глубине 5м; 6 — штамп площадью 0,06м2 на глубине 4м; 8 — штамп площадью 0,06м2 на глубине 2,3 м; 9 — штамп площадью 1 м2 на глубине 1,7м; 10 — штамп площадью 0,5м2 на глубине 1,3м; 11 — штамп площадью 0,5м2 на глубине 2,5м; 12 — штамп площадью 1 м2 на глубине 2,5м
МПа
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Рис. 2. Сравнение предельных сопротивлений грунта, определенных расчетом (Я.) по данным зондирования и определенных по результатам испытания (Яисп)
Яи=Я5А+/Ни,
(1)
где Я, - предельное сопротивление грунта под нижним торцом сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке, определяемое по формуле (2), кПа; А - площадь поперечного сечения сваи, м2; f - среднее значение предельного сопротивления грунта на боковой поверхности сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке, определяемое по формуле (3), кПа; й - глубина погружения сваи от поверхности грунта, м; и - периметр поперечного сечения ствола сваи, м.
Предельное сопротивление грунта под нижним концом буронабивной сваи Я, кПа, по данным зондирования в рассматриваемой точке определяется по формуле:
(2)
где к! - переходной коэффициент для данных по конусу зонда; д5 - среднее значение сопротивления грунта, кПа, под конусом зонда, полученное из опыта на участке, расположенном в пределах одного диаметра выше и двух диаметров ниже отметки торца сваи.
Среднее значение предельного сопротивления грунта на боковой поверхности буронабивной сваи / по данным
зондирования грунта в рассматриваемой точке определяется по формуле:
у _ , (3)
А
где к^ - переходной коэффициент для данных по муфте трения зонда; Л, - среднее сопротивление /-го слоя грунта на боковой поверхности зонда, определяемое по муфте трения, кПа; - толщина /-го слоя грунта, м.
Для оценки достоверности необходимо выполнить сравнительный анализ значений, полученных по расчету и результатам натурных испытаний. Так как расчет сопротивления грунта на боковой поверхности и под торцом сваи выполняется раздельно, оценку результатов также необходимо производить раздельно.
Как известно, сваи в глинистых грунтах работают как висячие, у которых немалую долю несущей способности обеспечивает боковая поверхность. В сваях со значительной относительной длиной доля боковой поверхности может доходить до 80%. Для коротких свай 2,5-3,5 м основную часть несущей способности обеспечивает торец. По этой причине в данной статье внимание уделено оценке достоверности расчета сопротивления грунта под торцом.
Воздействие на основание в плоскости подошвы буронабивной сваи в целом схоже с воздействием заглубленного жесткого штампа. Ф.К. Лапшиным еще в 1979 г. [2] были сделаны выводы, что в пределах допустимых нормами осадок сооружений грунт под торцом буронабивной сваи работает в фазе уплотнения. Глубина же развития зоны деформации грунта под пятой не превышает двух ее диаметров.
Для сравнения были взяты 13 испытаний грунта заглубленным штампом статической нагрузкой на 8 различных площадках (рис. 1). Штампы использовались площадью 0,06 м2, 0,5 м2 и 1 м2 на глубинах 1,3-5 м. Как видно из рисунка, осадки штампов лежат в пределах 10-43 мм, поэтому для всех результатов сопротивление грунта принимаем при осадке 10 мм. В данном случае при анализе результатов будем оценивать только качественные параметры, так как нам следовало бы определять сопротивление грунта при большей осадке в 20-30 мм.
На рис. 2 представлены результаты статистической обработки результатов расчета и испытания грунтов штампом. Анализ показал, что коэффициент корреляции составил
0.9. что свидетельствует о достаточно тесной связи между указанными параметрами. В количественном отношении для осадки 10 мм результаты сопротивления грунта ниже расчетных в среднем в 1,6 раза. Можно предположить, что при осадках 20-30 мм результаты будут иметь удовлетворительную сходимость.
Таким образом, предложенная методика расчета сопротивления грунта под торцом буронабивных свай по данным статического зондирования показала тесную связь с натурными испытаниями и при осадках 5 = 0,2-100 = 20мм и 5 = 0,2-150 = 30мм результаты будут иметь высокую сходимость.
Список литературы
1. Рыжков И.Б., Исаев О.Н. Статическое зондирование
грунтов. М.: Изд. АСВ, 2010. 495 с.
2. Лапшин Ф.К. Расчет свай по предельным расстояниям.
Саратов: Изд. Саратов. университета, 1979. 150 с.
0
5. ММ
Нв, МПа
92012
59
