ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЩЕБЕНОЧНОЙ СВАИ (КОЛОННЫ) С ОКРУЖАЮЩИМ КОНСОЛИДИРУЮЩИМ ГРУНТОМ И РОСТВЕРКОМ В СОСТАВЕ СВАЙНО - ПЛИТНОГО ФУНДАМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.151.2

DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-4-19-23

З.Г. ТЕР-МАРТИРОСЯН, д-р техн. наук ([email protected]), А.З. ТЕР-МАРТИРОСЯН, д-р техн. наук ([email protected]), Г.О. АНЖЕЛО, инженер ([email protected])

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

Взаимодействие нефильтрующей щебеночной сваи (колонны) с окружающим консолидирующим грунтом и ростверком в составе свайно-плитного фундамента

Приводится постановка и решение задачи о взаимодействии щебеночной нефильтрующей сваи с предварительно уплотненным консолидирующим глинистым грунтом в составе свайно-плитного фундамента. Показывается, что под воздействием ростверка (плиты) в составном грунтовом цилиндре заданных размеров возникает неоднородное напряженно-деформированное состояние (НДС), обусловленное распределением и перераспределением нагрузки от ростверка между сваей и окружающим консолидирующим грунтом. Показывается, что в начальный момент (условно-мгновенного) приложения нагрузки она воспринимается окружающим сваю водонасыщенным грунтом, затем по мере его уплотнения нагрузка на него падает, а на сваю растет до стабилизированного состояния. Также отмечается, что в системе «свая - окружающий грунт» процесс распределения и перераспределения существенно зависит от соотношения диаметров сваи и окружающего грунта, а длительность перераспределения зависит от квадрата высоты цилиндра, коэффициента консолидации, расстояния между центрами свай в свайном поле, которое выбирают из условия несущей способности сваи, а также отношения площадей поперечного сечения сваи и окружающего грунта.

Ключевые слова: слабые глинистые грунты, свая-дрена, фундамент, напряженно-деформированное состояние, реология.

Для цитирования: Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Анжело Г.О. Взаимодействие нефильтрующей щебеночной сваи (колонны) с окружающим консолидирующим грунтом и ростверком в составе свайно-плитного фундамента // Жилищное строительство. 2019. № 4. С. 19-23. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-4-19-23

Z.G. TER-MARTIROSYAN, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]) A.Z. TER-MARTIROSYAN, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]) G.O. ANZHELO, Engeneer ([email protected]) National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)

Interaction of Non-Filtering Crushed Stone Pile (Column) with Surrounding Consolidating Soil

and Plate in the Pile-Slab Foundation

The article presents the formulation and solution of the problem of the interaction of crushed stone non-filtering piles with pre-compacted consolidating clay soil in the pile-slab foundation. It is shown that under the influence of a plate in a composite soil cylinder of specified sizes occurs a non-uniform stress-strain state (SSS) due to the distribution and redistribution of the load from the plate between the pile and the surrounding consolidating soil. It is shown that at the initial moment of (conditionally instantaneous) load application it is perceived by the water-saturated ground surrounding the pile and then as it is compacted, the load on it falls, and on the pile it grows to a stabilized state. It is also noted that in the "pile - surrounding soil" system the process of distribution and redistribution substantially depends on the ratio of the diameter of the pile and the surrounding soil and the duration of redistribution depends on the square of the cylinder height, consolidation coefficient, the distance between the centers of piles in the pile field which is chosen from the condition of the bearing capacity of the pile, as well as the ratio of the cross-sectional areas of the pile and the surrounding soil.

Keywords: weak clay soils, drain pile, foundation, stress-strain state, rheology.

For citation: Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z., Anzhelo G.O. The interaction of non-filtering crushed stone pile (column) with the surrounding consolidating soil and plate in the pile-slab foundation. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 4, pp. 19-23. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-4-19-23 (In Russian).

4'2019

19

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Известно, что при строительстве на слабых водо-насыщенных глинистых грунтах часто применяются буронабивные щебеночно-песчаные сваи, которые в процессе изготовления свай разными технологиями служат дренами для удаления избыточной влаги окружающего грунта вследствие их уплотнения и расширением лидирующей скважины. Возникшие при этом за стеной лидирующей скважины напряжения в грунте существенно уплотняют его. Достаточно отметить, что объемную деформацию этих грунтов в первом приближении, можно определить как отношение площадей поперечного сечения сваи и окружающего грунта, т.е. £„ =ДАс / Аг (£„- объемная деформация). Исходя из объемной деформации по компрессионной кривой можно определить модуль деформации уплотненного грунта. В процессе изготовления сваи уплотняется также и щебеночная свая, причем она одновременно упрочняется за счет частичного проникновения глинистого грунта в поровое пространство щебеночной сваи (грубая кольматация), но при этом теряет свои фильтрующие свойства. Исследования, выполненные НОЦ «Геотехника» НИУ МГСУ (2014-2015 гг.), на опытном полигоне Курской АЭС-2 показывают, что модуль деформации слабого грунта растет от 5-10 МПа до 15-25 МПа, а модуль деформации щебеночной сваи достигает до 80-100 МПа, причем приведенный модуль системы (ячейки в целом) достигают до 40-50 МПа. Изготовленный таким образом грунтовый цилиндр (ячейка) в составе свай-но-плитного фундамента может нести значительные нагрузки и оседать на ограниченную величину (менее 15 см).

Задача распределения нагрузки от ростверка между сваей и окружающим грунтом

по схеме «свая - стойка» (рис. 1)

Известно [1-6], что распределение нагрузки от ростверка между сваей и окружающим грунтом по схеме «свая - стойка» без взаимного влияния сваи и окружающего грунта и без учета продавливания нижним концом сваи подстилающего слоя имеются следующие соотношения: равенство осадок Зр = 8с=8г; условие равновесия р = рс0)+рг(\-0)), где 8 ,!5с,8г - осадка ростверка, сваи и окружающего грунта, соответственно; р,рс,рг - нагрузки на ростверк, на сваю и на окружающий грунт, соответственно. Тогда получаем.

Рс=Р

т.

тг0)+тс(1-0))

; Рг=Р

тг(0+тс(1-а>)

При тг 0 получаем рс= 0, а рг=р/(\~ (0), что соответствует водонасыщенному грунту в начальный момент погружения. Приведенный коэффициент относительной сжимаемости системы «свая - окружающий грунт» определяется по формуле:

т„т,

(2)

/и -

пр

тга)+тс(1-а))'

соответственно Епр определяется по формуле: Е=Ес(0+Ег{\-(0).

(3)

(1)

Очевидно, что эти зависимости существенно могут осложняться, если учитывать нелинейные и реологические свойства материалов сваи и окружающего грунта, и особенно при учете консолидации окружающего грунта, поскольку высота грунтового цилиндра входит в состав формул по прогнозу скорости осадки. Рассмотрим случай, когда окружающий водонасыщенный глинистый грунт, взаимодействующий со сваей, подвергается одномерной консолидации в направлении длины сваи, так как свая является нефильтрующей и в радиальном направлении фильтрация отсутствует.

Взаимодействие щебеночной нефильтрующей сваи с окружающим консолидирующим грунтом

Известно, что осадку водонасыщенного слоя грунта высотой h = const при постоянной нагрузке р- const можно определить на основе решения одномерной задачи консолидации [7-17]. При односторонней фильтрации (вверх) в сторону дренажного слоя песка под ростверком осадка слоя в этом случае определяется формулой вида:

Sa(t) = pmMl-A £ |exp[-^i2]}, (4)

Я" ,•=1,з,5,... г 4й J

где cv - коэффициент консолидации (см2/год) и определяется зависимостью вида:

где kf - коэффициент фильтрации; тг фициент относительной сжимаемости грунта; Yw - удельный вес поровой воды.

Примем в первом приближении, что (4) можно представить в упрощенном виде:

с„ — ——

(5)

коэф-

где тг,тс - коэффициенты относительной сжимаемости грунта и сваи, причем тг = /3(уг)1 Ег,тс = Р(ус)1 Ес, где р - коэффициент, учитывающий отсутствие бокового расширения грунта в одометре; (Уг),(Ус) - коэффициент Пуассона.

Яг(0 = /»«гй(1-ехр(-л0),

где

N =

4/г2 '

(6) (7)

20

42019

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 1. Расчетная схема расширения диаметра лидирующей скважины (а) и технологии ее расширения (б)

Избыточное поровое давление в окружающем глинистом грунте при этом на нижнем конце цилиндра будет определяться зависимостью вида:

uwM = pt(m---eN),

л

(8)

где рг(0) - начальное напряжение на поверхности окружающего грунта (г = 0).

Отсюда следует, что при N 3 0. Следовательно, стабилизация осадки произойдет через

12 И*

л1 с,

определенное время, т. е. когда ^ — —^—

А(0 = А(0У

-at

(9)

где ОС - параметр, определяющий скорость снижения pa(t) и подлежащий определению.

Неизвестную величину ОС можно определить из анализа НДС окружающего грунта, если предположить, что время его стабилизации соответствует времени рассеивания порового давления (8), т. е. при uw —> 0. Сравнивая степени экспонент в (8) и (9) получаем, что время стабилизации осадки окружающего грунта и время рассеивания порового давления совпадут, если а = Д

Для определения осадки окружающего грунта введем в (6) вместо р приращение ps(t), т. е.:

dpt = dt = -рг (1 - œ)aea. (10) at

Подставляя это значение с1рг в (6) вместо р и интегрируя полученное выражение получим:

-at ~(a+P)t

S{t) = -p^)msha{--+--) + а (11)

а а+р

где p = cvIAh2 (1/с); С - постоянное интегрирование.

4'2019 ^^^^^^^^^^^^^^

Скорость осадки окружающего грунта в этом случае будет равна:

S(t) = -рг(0)тгка(е~а'-e~ia+ß)t). (12)

Скорость осадки щебеночной сваи определим исходя из ее линейной деформируемости, т.е. получаем:

Sc(t) = f-h.

(13)

Из условия равновесия р = рс(0+рг(\-0)) = const следует, что:

1-0)

P(t) = -p¿ty-

ct)

(14)

так как р = 0.

Подставляя это значение в (12) получаем:

Sc{t) = -Ps(t)

1 -со h

со Е'с

Сравнивая (15) и (11) получаем:

(15)

Поскольку в процессе уплотнения системы давление на водонасыщенный грунт вокруг сваи будет снижаться, необходимо определить осадку водона-сыщенного грунта при переменной нагрузке на основе (6). Введем функцию влияния в виде:

РЛ0 = А(0)----+ —7Т), (16)

• 1 -соЕг а а+р

где Е'г - компрессионный модуль деформации, причем Е'г=\,2Ег.

Интегрирование этого уравнения дает:

Е -а -(«+/?)<

Рг«) = Рг(0)-^-^а(-—+--) + С, (17)

1 -юЕг а а+р

где т р 1 1

с-Рлт-^-^-и-^-).

1-со Ег а а+р

Подставляя постоянное интегрирование С в исходное уравнение (16) получаем:

О) Е 1-е"® \-е-(а+Р)'

рЛ*) = РЛт + т^-=^а[—--1 * ]}. (18)

1 -соЕг а а+р

Величину напряжения на оголовок сваи можно определить из условия равновесия, т. е. получаем:

, ч Р , Л —о)

РЛ0 = --Рг(0-.

О) (О

(19)

Осадку ростверка можем определить, полагая, что аем:

5е(0 = А(0»»Л (20)

S =S, т. е. получаем:

p c 1

Таким образом, поставленная задача полностью решена.

Выводы

Использование технологии уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов методом прину-

21

Подземное строительство

дительного вдавливания щебенки в забой лидирующей скважины является эффективным. Лидирующая скважина расширяется, при этом окружающий глинистый грунт и щебеночная свая уплотняются и упрочняются. В результате образуется грунтовый цилиндр с щебеночной сваей в центре, представляющий несущий столб в составе свайно-плитного фундамента, способный нести значительную нагрузку в составе свайно-плитного фундамента от зданий и сооружений повышенной ответственности.

В процессе изготовления несущего столба щебеночная свая служит дреной при осесимметричной консолидации слабого грунта. Величину экстремального значения избыточного порового давления в уплотняемом глинистом грунте можно регулировать путем скорости расширения лидирующей скважины, до минимального значения.

Список литературы

1. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. М.: АСВ, 2009. 550 с.

2. Тер-Мартиросян А.З., Беспалова А.В., Беспалов А.Е., Карабанов П.В. Опыт расчета и конструирования фундаментов высотных зданий в глубоких котлованах в сложных инженерно-геологических условиях // ВестникМГСУ. 2008. № 2. С. 8-14.

3. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З. Напряженно-деформированное состояние двухслойного основания с преобразованным верхним слоем // Вестник МГСУ. 2008. № 2. С. 81-95.

4. Тер-Мартиросян А.З., Беспалова А.В., Беспалов А.Е. Применение методики приведенного модуля деформации при расчете массивных свайных ростверков в основании высотных зданий // Вестник МГСУ. 2008. № 2. С. 112-118.

5. Тер-Мартиросян А.З., Рубцов О.И. Экспериментально-теоретические основы преобразования слабых водонасыщенных глинистых грунтов при глубинном уплотнении ротором // Инженерная геология. 2014. № 3. С. 26-35.

6. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Стру-нин П.В., Рубцов О.И. Взаимодействие толстостенного грунтового цилиндра с песчаным ядром и ростверком // Жилищное строительство. 2014. № 9. С. 23-26.

7. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З. Экспериментально-теоретические основы преобразования слабых водонасыщенных глинистых грунтов при поверхностном и глубинном уплотнении // Инженерная геология. 2015. № 4. С. 16-25.

8. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1976. 310 с.

22| -

Научно-технический и производственный журнал

В процессе уплотнения глинистого грунта и расширения лидирующей скважины происходит взаимное проникновение щебня и глинистого грунта. Это может привести к кольматации порового пространства щебня и потере фильтрующей способности щебеночной сваи. Вместе с тем это способствует уплотнению и упрочнению щебеночной сваи.

Под воздействием нагрузки от ростверка в несущем столбе возникает сложное и неоднородное НДС, обусловленное распределением и перераспределением этой нагрузки между сваей и окружающим консолидирующим грунтом во времени до полной стабилизации осадки ростверка (плиты).

Время стабилизации НДС системы «свая - окружающий глинистый грунт - ростверк» зависит от высоты консолидирующего слабого слоя и его коэффициента консолидации.

References

1. Ter-Martirosyan Z.G. Mehanika gruntov [Soil mechanics]. Moscow: ASV. 2009. 550 p.

2. Ter-Martirosyan A.Z., Bespalova A.V., Bespalov A.E., Karabanov P.V. Experience in the calculation and design of foundations for high-rise buildings in deep pits in difficult engineering and geological conditions. Vestnik MGSU. 2008. No. 2, pp. 8-14. (In Russian).

3. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z. Stress-strain state of a two-layer base with a transformed upper layer. Vestnik MGSU. 2008. No. 2, pp. 81-95. (In Russian).

4. Ter-Martirosyan A.Z., Bespalova A.V., Bespalov A.E. Application of the method of reduced deformation modulus when calculating massive pile plates at the base of high-rise buildings. Vestnik MGSU. 2008. No. 2, pp. 112-118. (In Russian).

5. Ter-Martirosyan A.Z., Rubtsov O.I. Experimentally-theoretical basis for the conversion of weak water-saturated clay soils with deep compaction rotor. Inzhener-naya geologiya. 2014. No. 3, pp. 26-35. (In Russian).

6. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z., Stru-nin P.V., Rubtsov O.I. The interaction of thick-walled soil cylinder with sand core and plate. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Contraction]. 2014. No. 9, pp. 23-26. (In Russian).

7. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z. Experimentally - theoretical basis for the conversion of weak water-saturated clay soils with surface and deep compaction. Inzhenernaya geologiya. 2015. No. 4, pp. 16-25. (In Russian).

8. Vyalov S.S. Reologicheskie osnovi mehaniki gruntov [Rheological basis of soil mechanics]. Moscow: Vis-shaya shkola. 1976. 310 p.

9. Ter-Martirosyan Z.G. Reologicheskie parametri grun-tov i rascheti osnovaniy soorugenii [Rheological pa-

^^^^^^^^^^^^^^ |4'2019

—------ ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

9. Тер-Мартиросян З.Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений. М.: Стройиздат, 1990. 200 с.

10. Тер-Мартиросян З.Г. Напряженно-деформированное состояние анизотропного водонасыщенного основания // Вестник МГСУ. 2006. № 1. С. 28-37.

11. Тер-Мартиросян З.Г., Нгуен Занг Нам. Взаимодействие свай большой длины с неоднородным массивом с учетом нелинейных свойств грунтов // Вестник МГСУ. 2008. № 2. С. 3-14.

12. Тер-Мартиросян З.Г., Еремин В.Я., Буданов А.А. Исследование напряженно-деформированного состояния маловлажного песчаного грунта вокруг свай-РИТ // Вестник МГСУ. 2008. № 2. С. 24-36.

13. Тер-Мартиросян З.Г. Напряженно-деформированное состояние фильтрующих массивов грунтов // Инженерная геология. 2008. № 4. С. 36-42.

14. Тер-Мартиросян З.Г. Исследование грунтов оснований высотных зданий // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2009. № 5. С. 2-12.

15. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Стройиздат, 1963.636 с.

16. Biot M.A. General Theory of Three-dimensional consolidation // Journal Of Appl. Phys. 1941. Vol. 27, № 2, pp. 155-165.

rameters of soils and calculations of the foundations of structures]. Moscow: Stroyizdat, 1990. 200 p.

10. Ter-Martirosyan Z.G. Stress-strain state of anisotropic water-saturated base. Vestnik MGSU. 2006. No. 1, pp. 28-37. (In Russian).

11. Ter-Martirosyan Z.G., Nguen Zang Nam. The interaction of long piles with a heterogeneous array, taking into account the nonlinear properties of soils. Vestnik MGSU. 2008. No. 2, pp. 3-14. (In Russian).

12. Ter-Martirosyan Z.G., Eremin V.Ya., Budanov A.A. Investigation of the stress-strain state of low-moisture sandy soil around the RIT piles. Vestnik MGSU. 2008. No. 2, pp. 24-36. (In Russian).

13. Ter-Martirosyan Z.G. Stress-strain state of filtering soil massifs. Inzhenernaya geologiya. 2008. No. 4, pp. 36-42. (In Russian).

14. Ter-Martirosyan Z.G. Study of the grounds of high-rise buildings. Osnovaniya, fundamenti I mehanika gruntov. 2009. No. 5, pp. 2-12. (In Russian).

15. Tsitovich N.A. Mehanika gruntov [Soil mechanics]. Moscow: Stroyizdat. 1963. 636 p.

16. Biot M.A. General Theory of Three-dimensional consolidation. Journal Of Appl. Phys. 1941. Vol. 27. No. 2, pp. 155-165.

НИИЖБ

ИМ. AA ГВОЗДЕВА

ЦЕНТР ЗАВОДСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» предлагает предприятиям строительной индустрии консультативную помощь при модернизации заводов ЖБИ, ЖБК, домостроительных комбинатов:

• Технический аудит

• Маркетинговый и конкурентный анализ

• Выбор технологий и оборудования

• Анализ и адаптация домостроительных систем

• Разработка проекта модернизации

• Экономический анализ и бизнес-планирование

• Сопровождение процесса модернизации

• Технологическая поддержка

• Контроль и улучшение качества продукции

• Обучение персонала заказчика

Специалисты НИИЖБ им. А.А. Гвоздева имеют опыт технического и технологического сопровождения модернизации старых и строительства новых заводов железобетонных изделий и конструкций, выезжают на заводы заказчика, организуют посещение современных заводов, проводят дистанционные консультации, сопровождают процесс модернизации от инициирования проекта до вывода завода на проектную мощность.

За дополнительной информацией по вопросам сотрудничества вы можете обращаться в Отдел маркетинга НИИЖБ, тел. +7 (495) 602-00-70 доб. 2300, эл. почта: [email protected], сайт: www.niizhb-fgup.ru

4'2019

23