CC BY
37
SCIENCE TIME
ВЛИЯНИЕ МНОГОКРАТНОГО СТУПЕНЧАТОГО УПЛОТНЕНИЯ ОКОЛОСВАЙНОГО ГРУНТА, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПРОПИТАННОГО ГРУНТОУКРЕПЛЯЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИЕЙ, НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ВИСЯЧИХ НАБИВНЫХ СВАЙ
Киржаева Алёна Игоревна, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск
E-mail: kai. 174@yandex. ru
Аннотация. В данном научном исследовании рассматривается принципиальная возможность изготовления многослойной набивной сваи, обладающей повышенной несущей способностью по грунту и значительно меньшей материалоемкостью и стоимостью по сравнению с аналогичными по размерам бетонными буронабивными сваями, используемыми при возведении свайных фундаментов.
Ключевые слова: свайный фундамент, висячие сваи, несущая способность сваи, скважина в грунтовом основании, грунтоукрепляющая композиция, уплотняющий цилиндр с резьбой, многослойная набивная свая.
В современном строительстве при устройстве фундаментов зданий и сооружений находят применение различные способы изготовления свай. Вместе с тем, сравнение величин несущей способности одинаковых по длине и площади поперечного сечения забивной и буронабивной висячих свай показывает, что несущая способность буронабивной сваи всегда меньше, чем сборной железобетонной забивной. Объясняется это тем, что несущая способность любых висячих свай обеспечивается суммарным взаимодействием сил трения нижнего основания сваи с грунтом и силами трения между боковой поверхностью сваи и грунтом. Но при этом суммарные силы трения у забивной сваи больше, чем у буронабивной вследствие большего усилия обжатия грунтом её ствола. Следовательно, повышением величины усилия обжатия грунтом
ствола сваи можно повысить её несущую способность.
При проектировании свайных фундаментов всегда производят расчеты несущей способности висячих свай по материалу и по грунту. Как правило, их величины различаются между собой. Увеличением прочности материала ствола сваи можно достигнуть уменьшения площади поперечного сечения сваи с сохранением её несущей способности по материалу. Но при этом уменьшаются площади боковой поверхности и нижнего основания ствола сваи и не обеспечивается её несущая способность по грунту. На практике повышение несущей способности висячей сваи по грунту обычно достигается увеличением площади ее нижнего основания и боковой поверхности за счет увеличения диаметра сваи, ее длины и выполнения одного или нескольких уширений свайного ствола. Но повышение несущей способности по грунту за счет выполнения данных мероприятий всегда приводит к значительному увеличению материалоемкости и стоимости висячей сваи.
Основная задача научного исследования, проведенного в 2 этапа, заключалась в разработке принципиально нового конструктивного решения висячей набивной сваи, обладающей повышенной несущей способностью по грунту, меньшей материалоемкостью и стоимостью по сравнению с используемыми в строительстве висячими буронабивными бетонными сваями. На первом этапе было теоретически разработано конструктивное решение висячей многослойной набивной сваи [1] и предложена технология её изготовления [2]. На втором этапе исследования проводились лабораторные эксперименты по отработке технологии изготовления такой сваи и выполнялось сравнение её несущей способности по грунту в сравнении с обычной бетонной буронабивной висячей сваей аналогичных размеров.
Лабораторные эксперименты проводились в следующей последовательно сти:
- изготовление лабораторной установки для моделирования в уменьшенном масштабе процесса выполнения в грунтовом основании висячей многослойной свайной конструкции (рис.1);
- подбор состава грунтоукрепляющей композиции для заполнения скважины, устраиваемой в грунтовом основании при изготовлении многослойной набивной сваи;
- подбор составов материалов конструктивных слоев многослойной висячей набивной сваи;
- изготовление в грунтовом основании уменьшенных копий (лабораторных моделей) висячих свай различного конструктивного исполнения;
- определение несущей способности по грунту лабораторных моделей висячих свай различного конструктивного исполнения (рис.2).
Лабораторная установка для моделирования процесса изготовления моделей свай представляла собой металлический бак, заполненный доверху глинистым грунтом. С целью доведения плотности грунта до его природных значений, грунт в процессе укладки предварительно увлажнялся и послойно уплотнялся с использованием ручной трамбовки.
Рис. 1 Лабораторная установка для моделирования процесса изготовления многослойной висячей сваи в грунтовом основании
Рис. 2 Лабораторная установка для определения значений несущей способности по грунту моделей висячих свай различных конструкций
Технология изготовления многослойной висячей набивной сваи включала последовательное выполнение следующих работ:
- изготовление скважины в грунтовом основании;
- заполнение скважины жидкой грунтоукрепляющей композицией;
- выполнение пограничного слоя свайной оболочки из грунта основания, пропитанного жидкой грунтоукрепляющей цементно-глинистой композицией;
SCIENCE TIME
- выполнение цементно-песчаного слоя свайной оболочки из низкомарочной смеси;
- выполнение высокопрочного армированного арматурным стержнем цементно-бетонного центрального стержня ствола сваи.
В качестве основного технологического инструмента для устройства сваи использовался изготовленный из высокопрочной стали рабочий орган, представленный на рис.3. Он был выполнен в виде направляющей штанги с винтовой резьбой, один из концов которой был снабжен уплотняющим цилиндром с лидирующим конусом. Боковая поверхность уплотняющего цилиндра также была снабжена резьбой, а его диаметр в 2 раза превышал диаметр направляющей штанги, с которой он соединялся посредством усеченного конуса.
Рис. 3 Рабочий орган для изготовления многослойной висячей набивной сваи: 1 - направляющая штанга с винтовой резьбой, 2 - уплотняющий цилиндр с винтовой резьбой, 3 - лидирующий конус, 4 - усеченный конус
Выполнение скважины в грунтовом основании производилось погружением вращающегося рабочего органа, который при своем движении вниз раздвигал грунт и уплотнял его, впрессовывая в стенки образующейся скважины. После извлечения из скважины рабочего органа она заполнялась жидкой грунтоукрепляющей композицией, включающей в свой состав глину, портландцемент ПЦ400Д, пластифицирующую добавку ЛСТ и воду затворения в заранее подобранных пропорциях. Затем рабочий орган вновь погружался в образованную скважину, заполненную жидкой грунтоукрепляющей композицией. Создавая при своем движении избыточное давление в скважине, рабочий орган способствовал активному проникновению грунтоукрепляющей композиции в её грунтовые стенки и днище. По достижении заданной проектной отметки рабочий орган вывинчиванием извлекался из скважины. Скважина
опять заполнялась низкомарочным цементно-песчаным раствором, имеющим высокую подвижность и содержащем в своем составе ускоряющую твердение химическую добавку (нитрат натрия), после чего процесс погружения и извлечения рабочего органа вновь повторялся. За счет этого происходило вдавливание низкомарочного цементно-песчаного раствора в пропитанные грунтоукрепляющей добавкой стенки скважины, что обеспечивало изготовление очередного слоя её оболочки. На завершающем этапе изготовления многослойной висячей набивной сваи скважина заполнялась высокопрочной мелкозернистой цементно-бетонной смесью, формовался центральный ствол сваи, который армировался металлическим арматурным стержнем переменного сечения. После этого в проведении исследований делался 28-суточный перерыв, в течение которого изготовленная свая набирала прочность.
Одновременно с изготовлением лабораторной модели многослойной висячей набивной сваи была изготовлена аналогичная модель буронабивной сваи по обычной технологии, используемой при изготовлении буронабивных свай (выбуривание скважины в грунтовом основании, установка арматурного стержня, заполнение скважины бетонной смесью). При этом, длина буронабивной сваи равнялась 73 см., а длина многослойной набивной сваи была значительно короче - 40 см. Диаметр буронабивной сваи был равен диаметру её скважины и составлял 5 см., в то время как начальный диаметр скважины многослойной набивной сваи равнялся 4 см. После окончательного набора прочности бетона лабораторных моделей обеих свай были проведены испытания их несущей способности по грунту. Для этого были использованы металлические силовые рамы, изготовленные из швеллера №10, которые жестко крепились к боковым стенкам металлического бака таким образом, чтобы продольные оси испытуемых свай совпадали с продольными осями стоек силовых рам. На выступающие из грунтового основания оголовки свай последовательно вертикально устанавливались 5-тонный гидравлический домкрат и динамометр с индикатором часового типа, который своим верхним основанием упирался в силовую раму. Затем производилось ступенчатое нагружение обеих свай вертикальной нагрузкой, в процессе которого фиксировались величины нагружения, положение свай и начало их просадки.
В ходе проведенного испытания свай было установлено:
- несущая способность по грунту буронабивной сваи составила 720 кг;
- несущая способность по грунту многослойной набивной сваи составила 750 кг.
После окончания проведения испытаний обеих лабораторных моделей свай на их несущую способность, сваи были извлечены из грунта, был проведен их визуальный осмотр и замеры диаметров, а затем был выполнен поперечный распил стволов обеих свай (рис.4).
Рис. 4 Поперечные сечения стволов лабораторных моделей свай: 1 -сечение ствола буронабивной сваи, 2 - сечение ствола многослойной
набивной сваи
На рисунках видно, что диаметр буронабивной сваи, выполняемой по обычной технологии, практически равен диаметру скважины, в которой она изготавливалась. Кроме того, была установлена крайне малая степень сцепления грунта основания с телом буронабивной сваи (грунт легко отделялся от бетонного ствола). В то же время, после изготовления многослойной набивной сваи её диаметр равнялся 6,5 см., то есть значительно увеличился по сравнению с первоначальным диаметром скважины, составлявшим 4 см. Степень сцепления грунта с наружной поверхностью тела многослойной сваи оказалась очень высокой, при этом диаметр сваи не был постоянным по длине ствола (рис.5).
Рис. 5 Извлеченные из грунта лабораторные модели свай: 1 -буронабивная свая, 2 -многослойная набивная свая
Выводы:
- проведенными исследованиями была доказана возможность изготовления многослойной набивной висячей сваи по предложенной технологии;
- несущая способность по грунту многослойной набивной висячей сваи при прочих равных условиях значительно превышает несущую способность буронабивной сваи, изготовленной по традиционной технологии.
SCIENCE TIME
Литература:
1. Пат. № 2528331 Российская Федерация, МПК Е 02 Б 5/42. Свая и способ её возведения / Веселов А.В., Киржаева А.И., патентообладатель Веселов А.В. № 2013113739/03; заявл. 27.03.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25.
2. Веселов А.В., Киржаева А.И. Набивная многослойная висячая свая повышенной несущей способности и способ её изготовления // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века - № 4, 2013. - С. 18-20.
