CC BY
13
ВЫБОР КРИТЕРИЯ ИСЧЕРПАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ПЛАВНО ВОЗРАСТАЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ
Шмидт О .А. ©
Старший преподаватель, кафедра оснований и фундаментов Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина
Аннотация
В настоящей статье рассмотрен вопрос применимости общепринятых критериев исчерпания несущей способности свай при их статических испытаниях по методике плавно возрастающей нагрузки (ПВН), которая наилучшим образом моделирует работу сваи в фундаменте резервуара. Предложено определять несущую способность по критерию предельной скорости осадки свай во время испытаний
Ключевые слова: свая, фундамент резервуара, критерий исчерпания несущей способности, повторное нагружение.
Keywords: pile, tank foundation, failure criterion, repeated loading.
Основная тенденция, наблюдаемая на сегодняшний день в нефтяной отрасли, заключается в расширении ареалов распространения нефтяной продукции, прокладке новых нефтепроводов (включая экспорт нефтепродуктов). Так, на территории Краснодарского края воплощается в жизнь проект модернизации каспийского нефтепровода (КТК), а также ведутся работы по реализации проекта «Голубой поток». Данные проекты требуют наличия разгрузочных порталов, в которых в качестве хранилищ используются резервуары. Так, на территории Краснодарского края в настоящее время расположено 14 объектов нефтяной отрасли, в состав которых входят крупные резервуары. Для крупных резервуаров наиболее остро встает вопрос проектирования оснований и фундаментов с учетом больших вертикальных нагрузок, большой скорости приложения нагрузки и циклического изменения уровня нефтепродуктов в резервуаре [1]. При этом одной из наиболее распространенных причин выхода из строя резервуаров является деформация днища вследствие неравномерных осадок основания [2]. В связи с этим выполняются работы по улучшению физико-механических характеристик основания [3], либо по устройству фундаментов повышенной несущей способности (свайные кольцевые, свайно-плитные и др. [4-6]), которые опробованы как для промышленных, так и для гражданских зданий и сооружений [7, 13, 14].
В настоящее время статические испытания свай регламентируются требованиями ГОСТ [8]. Государственный стандарт предусматривает испытания свай ступенчато возрастающей нагрузкой в один цикл нагружения и разгрузки. В качестве критерия исчерпания несущей способности свай в стандарте используется предельная осадка (20% от предельной осадки строящегося сооружения), либо отсутствие стабилизации осадки свай. За критерий стабилизации осадки принята скорость, соответствующая перемещению в 0,1 мм за час измерений. С учетом стабилизации на каждой ступени нагружения, один цикл статических испытаний производится не менее, чем за 8 часов.
Фундаменты резервуаров во время эксплуатации нагружаются до проектных значений на 2,25-5 часов, что значительно быстрее, чем в программе, предусмотренной государственным стандартом (табл. 1).
Кроме того, следует отметить, что нагружение фундаментов резервуаров происходит плавно, постоянно возрастающей нагрузкой в несколько циклов. В результате программа ГОСТ «Испытания грунтов сваями» предполагает работу свай в заведомо лучших условиях, чем в составе фундаментов резервуаров, что недопустимо.
© Шмидт О А., 2017 г.
Таблица 1
Минимальное время заполнения крупных резервуаров
№ п/п Вместимость, м3 Диаметр, м Высота, м Минимальное время заполнения согласно требований [9], ч
1 10000 28,5 (34,2) 17,88 (12) 3,0 (2,25)
2 20000 39,9 17,88 3,0
3 30000 45,6 18 3,25
4 50000 60,7 18 4,75
При испытании свай плавно возрастающей нагрузкой (ПВН) критерии исчерпания несущей способности, предложенные методикой ГОСТ, неприменимы, так как отсутствует выдержка на ступенях нагружения. Наилучшим образом в данном случае подходят зарубежные критерии исчерпания несущей способности, а именно [11]:
- Brinch Hansen Criterion;
- Chin's Method;
- DeBeer Log-Log Method.
Для анализа использовались результаты испытаний модели буронабивной сваи, устроенной в глинистом грунте, по методике ПВН. График зависимости осадки модели сваи от приложенной вдавливающей силы приведен на рис. 1.
Как можно наблюдать на графике (рис. 1), в диапазоне от 1600 до 1800 Н
наблюдается резкий перелом, свидетельствующий об исчерпании несущей способности. Для определения несущей способности воспользуемся вышеописанными критериями. Каждый из используемых методов определения несущей способности является графоаналитическим и требует дополнительных преобразований результатов испытаний. Так, Brinch Hansen Criterion основан на математической экстраполяции графика зависимости осадки от нагрузки в виде эллипса, радиусы кривизны которого
Рис. 1 - Результаты испытаний модели буронабивной сваи
(С1 и С2) определяются по графику зависимости величины Vs/N (N -вдавливающая сила, Н) от осадки сваи (s, мм). По радиусам кривизны несущая способность сваи (Fd) определяется по формуле:
F = 2 V(c!*c2) (1)
Схема для определения радиусов кривизны приведена на рис. 2.
Определение несущей способности сваи по методике «Chin's Method» основано на экстраполяции графика зависимости осадки от нагрузки в виде гиперболической зависимости. Несущая способность определяется по формуле:
Fd=f , (2)
где С1 - тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой графика зависимости «скорости» осадки s/N от величины осадки сваи s (рис. 3).
Для определения несущей способности сваи по методике «DeBeer Log-Log Method» строится график зависимости Ln(s) от Ln(N). Несущая способность в данном случае определяется по рис. 4.
Также, кроме приведенных зарубежных критериев исчерпания несущей способности свай, предлагается использовать предельную скорость осадки сваи, в 25 раз превышающую первоначальную, полученную на линейном участке испытаний. Данная методика была разработана для штамповых испытаний постоянно возрастающей нагрузкой и может быть применена для статических испытаний свай (рис. 5).
-2 -и, 5
5 - 2 -1 5 - 1 -< 5 <
n ппп^ 5
y = > < << |9x <<< <<4 и
п ппп
R 2 = Ж4 48
/
П n П Ctfi 5
t /
V
CT GO п ппп 7
п п ппч 5
/ п ппп о 8
00 <<8 5
Осадка сваи, мм
Рис. 2 - Вспомогательные построения для определения несущей способности модели
сваи по методике «Brinch Hansen Criterion»
л ч
К
о
^
а к к
К
<и й
к щ
к
« s й о о
(U К К <и
3
а л К л с
и
5 - 2 -1 5 - -0 5
г = 0 00 0,0 002 п 000 //
R 2 = 0 99 5
-0,000 л
/
/
-0,000 f.
/
П flflfl -0,000 о
-0 пп 1
Л
-0 001 2
Осадка сваи, мм
Рис. 3 - Вспомогательные построения для определения несущей способности модели
сваи по методике «Chin's Method»
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
Ln (s)
Рис. 4 - Вспомогательные построения для определения несущей способности модели
сваи по методике «DeBeer Log-Log Method»
0,35
0,3
S 0,25
0,2
о о
л 0,15
н '
о
о
а
о
g 0,1
0,05
V„it=0.02
dbu
J
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Вдавливающая сила, Н
Рис. 5 - Вспомогательные построения для определения несущей способности модели
сваи по предельной скорости осадки
Результаты оценки несущей способности сваи по зарубежным методикам, а также по предлагаемой, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты определения несущей способности модели сваи по результатам статических
испытаний
0
№ Критерий исчерпания несущей Несущая способность
п/п способности сваи модели сваи, Н
1 Brinch Hansen Criterion 1749
2 Chin's Method 2000
3 DeBeer Log-Log Method 1693
4 Предельная скорость осадки 1677
Как следует из табл. 2, критерии исчерпания «Brinch Hansen Criterion» и «Chin's Method» при статических испытаниях сваи по методике ПВН дают завышенные значения несущей способности. Методики «DeBeer Log-Log Method», а также предельной скорости осадки сваи дают схожие значения несущей способности, близкие к наблюдаемой визуально точки исчерпания несущей способности сваи. Более того, применение критерия предельной скорости осадки при испытаниях по методике ПВН позволят определять несущую способность сваи как при первом, так и при повторном нагружении [12], в то время как методики, приведенные в пп. 1-3 (табл. 2) имеют большие расхождения с конечными результатами испытаний свай.
Литература
1. П.А. Коновалов и др. - Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований / Научное издание: М: Издательство АСВ, 2009. - 336 с.
2. К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев, В. В. Угринов - Особенности деформаций днищ резервуаров // Промышленное и гражданское строительство. - 2йй4. - № 3. - С. 28-29.
3. Патент РФ 2242563, 2G.12.2GG4. К.Ш. Шадунц, М.Б. Мариничев, В.В. Угринов. Способ подготовки основания резервуара // Патент России № 2242563. 2004
4. К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев, А. Ю. Маршалка - Эффективные фундаментные конструкции в сложных грунтовых условиях// Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 2.
5. Патент РФ 2321703, 10.04.2008. К.Ш. Шадунц, М.Б. Мариничев. Способ строительства свайно-плитного фундамента // Патент России № 2321703. 2008
6. Патент РФ 2300604, 07.10.2005. К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев, В.А. Демченко. Способ устройства свайно-плитных фундаментов в сейсмических районах // Патент России №2300604
7. М.Б. Мариничев, А.Ю. Маршалка - Геотехнические задачи при рекультивации полигонов твердых бытовых отходов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2012. - №5. - С. 1921.
8. ГОСТ 5686-2012 Грунты. Методы полевых испытаний сваями. М.: Стандартинформ, 2014. - 43с.
9. РД 153-39.4-078-01 Правила технической эксплуатации резервуаров магистральных нефтепроводов и нефтебаз. - Уфа: ИПТЭР, 2001. - 170 с.
10. Pailkowsky, S.G., and Tolosko, T.A., 1999. Extrapolation of Pile Capacity From Non-Failed Load Tests. - U.S. Departament of Transportation, 157 p.
11. П.А. Ляшенко, Д.В. Гохаев, О.А. Шмидт - Оценка изменения деформационных характеристик глинистых грунтов в основании буронабивных свай при повторном нагружении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2016. - Т. 7, № 4. - С. 123-132. DOI: 10.15593/2224-9826/2016.4.012
12. П.А. Ляшенко, Д.В. Гохаев, О.А. Шмидт - Исследование развития осадки буронабивной сваи в глинистых грунтах при повторном приложении статической нагрузки // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2016. - №120(06). - Режим доступа: http://ej .kubagro.ru/2016/06/pdf/104 .pdf
13. К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев - К расчету зданий и сооружений на сложных, неравномерно сжимаемых основаниях // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2003. - № 2. - С. 7-10.
14. М. Б. Мариничев - Опыт реализации нестандартных методов проектирования и строительства фундаментов высотных зданий в сейсмических районах / М.Б. Мариничев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2017. - №01(125). С. 623 - 657. - IDA [article ID]: 1251701043. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2017/01/pdf/43.pdf, 2,188 у.п.л.
