Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор конструктивных решений буронабивных свай и методов их расчета по результатам статического зондирования 11
1.1. Существующие конструкции буронабивных свай 11
1.2. Использование статического зондирования в строительстве 20
1.3. Методы расчета несущей способности буронабивных свай по данным статического зондирования 25
1.4. Выводы и постановка основных задач исследований 36
2. Экспериментальные исследования взаимодействия вертикально нагруженной буронабивнойсваи с основанием 39
2.1. Анализ ранее выполненных исследований 39
2.2. Экспериментальные исследования вертикально нагружен-ных маломасштабных буронабивных свай 46
2.2.1. Методика выполнения экспериментальных исследо-ваний маломасштабных буронабивных свай 47
2.2.2. Анализ результатов экспериментального исследова-ния маломасштабных буронабивных свай 51
2.3. Экспериментальные исследования вертикально нагружен ной буронабивной тензосваи 59
2.3.1. Методика проведения исследования буронабивной тензосваи 60
2.3.2. Анализ результатов экспериментального исследова-ния буронабивной тензосваи 64
2.4. Технико-экономический анализ на примере сравнения ре зультатов испытания забивных и буронабивных свай 70
Выводы по главе 2 73
3. Численные исследования взаимодействия вертикально нагруженных буронабивных свай с основанием 75
3.1. Результаты численного моделирования опытной тензосваи с оценкой НДС системы «вертикально нагруженная бурона-бивная свая - основание» 78
3.2. Исследование влияния геометрических параметров бурона-бивной сваи и данных статического зондирования на фор-мирование сопротивления грунта под торцом и на боковой поверхности 84
3.2.1. Планирование и выполнение численных исследова ний 84
3.2.2 Определение переходных коэффициентов от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай в глинистых грунтах 93
3.3. Исследование зависимости сдвиговой осадки от данных ста тического зондирования и геометрических параметров сваи. 100
Выводы по главе 3 111
4. Расчет несущей способности вертикально нагруженных буронабивных свай с использованием данных статического зондирования 113
4.1. Расчетная схема и метод расчета 113
4.2. Построение графика «нагрузка-осадка» вертикально нагру-женных буронабивных свай по данным статического зонди-рования 116
4.3. Оценка достоверности значений сопротивления грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивных свай, полу-ченных по предложенной методике 120
4.4. Оценка достоверности несущей способности буронабивных свай по грунту, определенной по предлагаемой методике при сравнении с результатами натурных испытаний 122
4.5. Сопоставление результатов расчета буронабивных свай по предложенной методике и СП 24.13330.2011 с натурными испытаниями 124
Выводы по главе 4 125
5. Практическое применение результатов исследований 126
5.1. Рекомендации по расчету вертикально нагруженных буро-набивных свай в глинистых грунтах с использованием ста-тического зондирования 126
5.2. Внедрение результатов исследований в практику строитель-ства 127
Выводы по главе 5 135
6. Общие выводы по работе 136
Список литературы
- Методы расчета несущей способности буронабивных свай по данным статического зондирования
- Методика проведения исследования буронабивной тензосваи
- Исследование влияния геометрических параметров бурона-бивной сваи и данных статического зондирования на фор-мирование сопротивления грунта под торцом и на боковой поверхности
- Построение графика «нагрузка-осадка» вертикально нагру-женных буронабивных свай по данным статического зонди-рования
Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день в области жилищного строительства основной объем составляют многоэтажные дома. Но с каждым годом заметно увеличивается доля малоэтажного строительства. Это 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 требует мероприятий по минимизации затрат на всех этапах проектирования и строительства.
В качестве фундаментов при строительстве на площадках, сложенных глинистыми грунтами, высокой популярностью обладают буронабивные сваи с монолитным железобетонным ростверком.
На этапе проектирования таких фундаментов обычно используются данные инженерно-геологических изысканий с бурением скважин по укрупненным сеткам, что приводит к снижению достоверности 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.
Статическое зондирование достаточно успешно применяется при расчете забивных свай, чего нельзя сказать о буронабивных. Анализ существующих методик расчета с использованием данных статического зондирования показал, что предлагаемые строительными нормами методы расчета не вполне отражают действительного характера работы буронабивных свай с грунтом основания. В ныне действующих нормах, таких как СП 24.13330.2011, представлены таблицы для расчета буронабивных свай с использованием значений только лобового сопротивления зонда. При этом действие данной методики распространяется только на сваи длиной свыше 5 м и диаметром 600-1200 мм. Предлагаемые методы расчета, как правило, дают существенные занижения по несущей способности, тем самым приводят к необоснованным запасам и, как следствие, большим финансовым затратам.
Поэтому исследование закономерностей и особенностей совместной работы буронабивных свай и грунтов основания, а также разработка метода расчета несущей способности вертикально нагруженных буронабивных свай в глинистых грунтов с использованием данных статического зондирования являются актуальными.
Объект исследования – вертикально нагруженные буронабивные сваи небольшого диаметра (300-600 мм), постоянного по длине сечения, устроенные в глинистых грунтах без крепления стенок скважины на глубину (до 10-12 м), при которой возможно использование результатов наиболее распространенных зондирующих установок.
Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние системы «вертикально нагруженная буронабивная свая – основание».
Цель работы заключается в разработке методики расчета вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования с учетом характера взаимодействия с грунтом основания.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
с помощью экспериментальных и численных исследований изучить особенности формирования НДС системы «вертикально нагруженная буро-набивная свая – основание» на разных стадиях нагружения вплоть до достижения предельного состояния основания;
изучить взаимосвязь между параметрами статического зондирования (qc, fs) и сопротивлением грунта под торцом и на боковой поверхности буро-набивной сваи, и на этой основе получить систему коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта основания буронабивных свай;
построить расчетную схему и разработать методику расчета данных свай в глинистых грунтах на вертикальную нагрузку по данным статического зондирования;
разработать методику построения графиков «нагрузка-осадка» с использованием данных статического зондирования;
сопоставить результаты расчета по предложенной методике с существующими расчетными методами и выполнить оценку сходимости и достоверности полученных значений.
Научная новизна диссертационной работы.
-
Получены коэффициенты перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности бу-ронабивных свай с учетом влияния обоих параметров зондирования (qc, fs).
-
Построена расчетная схема с учетом характера взаимодействия грунта с боковой поверхностью буронабивной сваи и разработана методика расчета данных свай в глинистых грунтах на вертикальную нагрузку с использованием данных статического зондирования.
-
Выявлены зависимости величин сдвиговых осадок для буронабив-ных свай от данных статического зондирования, с использованием которых была разработана методика построения графиков «вертикальная нагрузка-осадка».
Достоверность результатов работы обеспечивается проведением экспериментальных исследований с применением современного электронного оборудования и тензометрической аппаратуры, а также численных исследований с использованием сертифицированных геотехнических программ, реализующих МКЭ.
Практическая значимость и реализация работы.
Практическая значимость состоит в разработке метода расчета несущей способности буронабивных свай в глинистых грунтах по данным стати-
ческого зондирования с возможностью его использования на практике при проектировании фундаментов из буронабивных свай.
Результаты исследований внедрены при проектировании фундаментов из буронабивных свай на объекте «Цех лесопиления в г. Белорецке, Республики Башкортостан», что позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 65 тысяч рублей в базовых ценах 2001 г.
Результаты выполненных исследований были использованы при вариантном проектировании фундаментов опор навесов трибун при реконструкции стадиона «Нефтяник» в г. Уфе Республики Башкортостан. Применение данного исследования позволило спрогнозировать несущую способность бу-ронабивных свай, что и было подтверждено результатами статических испытаний натурной сваи.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 22-24 сентября 2010 г.); XV юбилейной Международной научно – технической конференции, при XV специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение – 2011» (г. Уфа, Республика Башкортостан, 9-11 марта 2011 г.); II Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирск, 5-6 апреля 2011 г.); Всероссийской конференции научных работников, молодых ученых и специалистов «Геотехника: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2013 г.); научно-технической конференции с международным участием «Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике» (Липецк, 27-29 октября 2013 г.).
Личный вклад автора состоит:
в анализе существующих результатов исследований и методик расчета вертикально нагруженных буронабивных свай по данным статического зондирования, а также постановке основных задач исследований;
в проведении натурных исследований с использованием маломасштабных буронабивных свай;
в проведении численных исследований с обработкой и систематизацией полученных результатов, включающих выявление и построение графических зависимостей, а также их анализ;
в определении коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта под торцом и на боковой поверхности буронабивной сваи;
в разработке методики расчета несущей способности буронабивных свай по грунту, а также методики построения кривых «вертикальная нагрузка – осадка» по данным статического зондирования;
- в проведении сравнительного анализа и сопоставительного расчета с использованием предлагаемой методики и результатов натурных испытаний свай.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований научному руководителю, доктору технических наук, профессору Альфреду Леонидовичу Готману, а также заведующему отделом строительных конструкций ГУП института «БашНИИстрой» доктору технических наук Юрию Михайловичу Шеменкову.
На защиту выносятся: результаты экспериментальных и численных исследований вертикально нагруженных буронабивных свай, методика расчёта их несущей способности по грунту и методика построения кривых «вертикальная нагрузка – осадка» по данным статического зондирования в глинистых грунтах.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 5 изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 6 приложений. Диссертационная работа содержит 153 страницы машинописного текста, 62 рисунков, 34 таблицы, список литературы из 140 наименований.
Методы расчета несущей способности буронабивных свай по данным статического зондирования
Для увеличения несущей способности буронабивной сваи в её основании выполняется уширение различными способами. К таковым относятся: разбуривание, вдавливание, раскатывание грунта, обработка бетонной смеси электрическими разрядами. Уширение подошвы буронабивной сваи может быть также выполнено с помощью взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ) или трамбования в забое скважины жесткой бетонной смеси.
В зависимости от нагрузок, действующих на буронабивную сваю, ствол может армироваться в головной части конструктивно при наличии только вертикальных нагрузок при условии, что несущая способность ствола обеспечивается бетоном, а по расчету армирование не требуется. При действии на сваю горизонтальных и моментных нагрузок, в то время как по расчету на вертикальную нагрузку армирование ствола не требуется, тогда армирование выполняется только для части длины сваи. Когда на сваю действуют усилия от выдергивающих нагрузок или оползневых процессов, тогда необходимо армирование сваи по всей длине. Армирование выполняется пространственными каркасами, изготовленными на площадке или на заводе.
Впервые буронабивные сваи (в 1899 г.) были предложены киевским горным инженером А.Э.Страусом. Хотя в настоящее время сваи Страуса в первоначальном виде не применяют, на основе этого принципа создано семейство конструкций современных видов буронабивных свай [57]. Буронабивные сваи, выполненные в скважинах, пробуренных под защитой глинистого раствора, были разработаны в нашей стране в 1953 г. по предложению С. А. Тер-Галустова в НИИ оснований и подземных сооружений [91].
В водонасыщенных и неустойчивых грунтах для крепления стенок скважин от обрушения используют глинистый раствор, создавая им внутреннее давление, превышающее наружное. Раствор плотностью более 1,05 г/см3 готовят из тонкодисперсных бентонитовых или обычных глин. Данный раствор создает избыточное давление за счет большего объемного веса, чем у воды, и тем самым удерживает стенки скважины от обрушения. Также при циркуляции глинистого раствора в скважине происходит вынос на поверхность остатков разбуренного грунта.
Сваи бетонируются методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ). По мере заполнения скважины бетонной смесью глинистый раствор вытесняется. Арматурный каркас, установленный в скважину, удерживают в подвешенном состоянии при помощи металлических стержней. При бетонировании свай в скважинах под защитой глинистого раствора применяются только секционные трубы, которые должны иметь герметичные стыки. Глинистый раствор при бетонировании вытесняется бетонной смесью по пространству между трубой и стенкой скважины на поверхность, откуда отводится по лоткам в отстойник для очистки и повторного использования. Бетонирование методом ВПТ ведут до того момента, когда на поверхность выйдет бетонная смесь. Затем загрязненную часть бетона удаляют и бетонируют оголовок сваи.
Буронабивные сваи, выполненные в скважинах, пробуренных под защитой обсадной трубы, впервые были предложены киевским инженером А. Э. Страусом в 1899 г [57]. Данный способ защиты стенок скважины в во-донасыщенных грунтах считается наиболее надежным. Основной принцип состоит в том, что скважины для свай бурятся под защитой постепенно на ращиваемой металлической обсадной трубы. Её заглубление происходит по мере разработки грунта. В зависимости от свойств грунтов применяются различные буровые инструменты. Дно скважины перед бетонированием зачищается, затем устанавливается металлический каркас и производится бетонирование. Бетонируют такие сваи методом ВПТ аналогично, как и при защите скважин, глинистым раствором. Бетонную смесь подают бадьями с открывающимся дном. После загрузки очередной порции бетонной смеси производят извлечение трубы. Для сохранения непрерывности ствола сваи обсадную трубу поднимают на высоту 3/4 бетонного слоя. При изготовлении свай при наличии грунтовых вод применяют литые бетонные смеси.
Буронабивные сваи-оболочки, изготавливаемые с применением многосекционного вибросердечника. Технология изготовления таких свай разработана Киевским отделом НИИ гидротехнического строительства при участии НИИ оснований и подземных сооружений имени Н.М. Герсеванова [57]. По данной технологической схеме такие сваи изготавливают из малоподвижных бетонных смесей с использованием многосекционного вибросердечника. Конструкция вибросердечника представляет собой набор секций труб, скрепленных между собой, внутри которых находятся вибрационные устройства круговых колебаний. Каждая секция воздействует вибрацией на бетон, расположенный вокруг неё.
Сваи такой конструкции выполняют в устойчивых грунтах без крепления стенок скважины. Технология изготовления состоит из следующих этапов. Сначала пробуривают скважину необходимого диаметра, затем устанавливают бункер для приема бетонной смеси, а в скважину устанавливают арматурный каркас. Бетонирование выполняют в два этапа. На первом этапе скважину заполняют на высоту 3-4 м и затем с включенным вибратором нижней секции погружают вибросердечник до глубины меньшей на 0,7 диаметра сваи. Затем на этой глубине его фиксируют и начинают заполнение скважины бетоном с одновременным вибрированием смеси. После завершения бетонирования вибросердечник извлекают из скважины, не выключая вибраторов. Образованную полость заполняют песчано-гравийной смесью или грунтом.
Буронабивные сваи с уплотненным забоем, устраиваемым путем втрамбовывания в забой скважины щебня. Несущая способность бурона-бивных свай малой длины обеспечивается в основном её торцом. Несущая способность таких свай лежит в пределах 90-200 кН и в сильной степени зависит от качества зачистки забоя скважины. Повышения их несущей способности можно достигнуть при уплотнении грунта механическими трамбовками гравитационного действия или втрамбовыванием в грунт основания сваи песчано-гравийной смеси или щебня. Количество втрамбованного щебня зависит от характеристик грунта и требуемой несущей способности.
Процесс устройства уплотненного забоя состоит в следующем. В предварительно пробуренную скважину требуемой глубины и диаметра засыпают порциями щебень определенной фракции и затем механическими трамбовками, падающими с определенной высоты по направляющим, производят втрамбовывание щебня в забой до проектной отметки. После устройства уплотненного забоя устанавливают каркас и бетонируют одним из способов.
Методика проведения исследования буронабивной тензосваи
Из выполненного обзора конструкций буронабивных свай и методов их расчета по несущей способности грунта с использованием данных статического зондирования можно сделать следующие выводы.
Конструктивные особенности каждого типа буронабивной сваи с уширением или без него определяются только технологией изготовления и имеют одну характерную особенность – устройство бетонного тела сваи в предварительно разбуренной скважине.
Статическое зондирование до сих пор остается одним из самых надежных методов для исследования грунтов и расчета предельного сопротивления свайных конструкций по грунту.
На фоне успешного применения результатов статического зондирования для расчета забивных свай доля их использования для расчета буро-набивных свай остается крайне низкой. В качестве причин, сдерживающих использование статического зондирования, можно назвать: - ограничение нормами по диаметру и длине сваи; - рекомендации по проверке достоверности результатов расчета по данным статического зондирования с расчетом по показателю текучести; - недостаточный объем исследований работы грунта основания буро-набивных свай, связанных с усовершенствованием методики расчета по данным статического зондирования.
Методы расчета с использованием результатов статического зон дирования, применяемые в России и странах ближнего зарубежья, имеют по хожую структуру с различием в значениях переходных коэффициентов. При этом основное отличие состоит в том, что для определения сопротивления грунта на боковой поверхности сваи используются зависимости или только от qc (отечественные нормы), или только от fs (белорусские нормы).
У авторов отечественных и белорусских методик расчета бурона-бивных свай по данным статического зондирования отсутствует единое мнение о глубине активной зоны ниже торца (от 2-х до 4-х диаметров сваи).
При сравнении подходов к созданию методов расчета в России и в европейских странах можно выделить следующее: европейские методики уделяют особое внимание созданию единого расчетного метода для разных типов свай, вводя дополнительные системы коэффициентов, тогда как в России для каждой свайной конструкции существует свой метод расчета или система коэффициентов; в методиках, разработанных российскими специалистами, значения переходных коэффициентов изменяются в широких пределах в зависимости от значений статического зондирования, тогда как европейские методики используют один или несколько переходных коэффициентов для всего диапазона значений; в качестве общего можно выделить выявление зависимостей только от сопротивления грунта под конусом зонда и игнорирование данных сопротивления грунта на боковой поверхности зонда.
Для дальнейшего усовершенствования методики расчета буронабивных свай по данным статического зондирования необходимо решить следующие задачи: - с помощью экспериментальных и численных исследований изучить особенности формирования НДС системы «вертикально нагруженная буро-набивная свая – основание»; - выполнить оценку влияния параметров статического зондирования (qc, fs) на сопротивление грунта под торцом и на боковой поверхности буро-набивной сваи; - получить систему коэффициентов перехода от данных статического зондирования к сопротивлению грунта основания буронабивных свай, по строить расчетную схему и разработать методику расчета данных свай в гли нистых грунтах на вертикальную нагрузку; - разработать методику построения кривых «нагрузка-осадка» по результатам определения несущей способности буронабивных свай с использованием данных статического зондирования; сопоставить результаты расчета по предложенной методике с существующими расчетными методами и выполнить оценку сходимости и достоверности полученных значений.
В нашей стране накоплен довольно большой исследовательский материал по вопросу формирования сопротивления грунта основания для забивных свай, чего нельзя сказать о буронабивных сваях, для которых такого материала значительно меньше. Наибольший вклад в изучение работы свайных фундаментов с окружающим массивом грунта внесли работы следующих авторов: Ю. А. Багдасарова [1], А. А. Бартоломея [2, 3], Б. В. Бахолдина [4, 5], B. Г. Березанцева [6, 7], Н. М. Герсеванова [14], В. Н. Голубкова [16], Б. В. Гончарова [18], А. Л. Готмана [22, 24], Н. З. Готман [8, 25], А. А. Григо рян [26-28], Б. И. Далматова [29], В. К. Дмоховского [33], Н. В. Жукова [37], Ю. К. Зарецкого [39, 40], В. В. Знаменского, В. А. Ильичева, П. А. Коновало ва, В. И. Крутова, Ф. К.Лапшина [51], А. А. Луги [52], В. В. Лушникова [53, 54], Р. А. Мангушева [57], Р. М. Нарбута [66], Е. М. Перлея [67], А. В. Пиля гина [69], А. Б. Пономарева [70], С. М. Рака [74], С. А. Тер-Галустова [91], З. Г. Тер-Мартиросяна, Ю. Г. Трофименкова [94], В. М. Улицкого [98, 99], C. Б. Ухова, В. Г. Федоровского [105], А. М. Ягудина [119] и др. Для свай, работающих в грунте как висячие, особый интерес представ ляет работа боковой поверхности, а именно, формирование и распределение сил трения по длине сваи. Для забивных свай этот вопрос сомнений не вызы вает, и мнения исследователей по характеру изменения сил трения по глуби не сходятся. По буронабивным сваям мнения по аналогичному вопросу раз нятся. Одни считают, что распределение сил трения по боковой поверхности буронабивной сваи равномерно по всей высоте. Другие считают, что на по верхности силы трения равны нулю, а затем криволинейно возрастают до оп ределенной глубины и далее имеют постоянное значение.
Исследование влияния геометрических параметров бурона-бивной сваи и данных статического зондирования на фор-мирование сопротивления грунта под торцом и на боковой поверхности
Оценку напряженно-деформированного состояния основания вертикально нагруженной буронабивной тензосваи рассмотрим на основании результатов испытания статической нагрузкой.
По результатам показания мессдоз давления в ходе испытания тензос-ваи были построены графики распределения нагрузки по длине сваи и эпюры распределения сопротивления грунта на боковой поверхности (см. рисунок 2.23). В ходе испытания мессдоза (М-IV), установленная под торцом сваи, не реагировала, поэтому графики строились по показаниям трех мес-сдоз (М-I…М-III). Значение давления под торцом тензосваи принималось по результатам обработки графика «нагрузка-осадка» по методу Б. И. Далматова – Ф. К. Лапшина (см. рисунок 2.24).
Как видно из рисунка 2.23, при нагружении сваи нагрузками до 200 кН несущая способность сваи обеспечивается сопротивлением грунта только на боковой поверхности. Причем в работу боковая поверхность сваи вступает постепенно, сначала в верхней части, а затем и нижерасположенные участки. При нагрузке 300 кН в работу вступает торец и с этого момента приращение сопротивления сваи по грунту обеспечивается как боковой поверхностью, так и торцом. Из рисунка 2.25 видно, что, начиная с нагрузки 300 кН, исчерпывается приращение сопротивления грунта на боковой поверхности в верхней части. Таким образом, при нагрузке, превышающей 300 кН, сопротивление грунта на боковой поверхности на участке 0-1 м остается постоянным, затем при нагрузке 400 кН – на участке 0-2 м, при нагрузке 500 кН – на участке 0-3 м. В конечном итоге при нагрузке 600 кН приращение сопротивления грунта на боковой поверхности прекращается по всей длине сваи. а)
Графики «нагрузка-осадка» по результатам полевых испытаний (1) и разделения по методу Б. И. Далматова – Ф. К. Лапшина (2 и 3) 1 – график для всей опытной тензосваи; 2 – график для её боковой поверхности; 3 – график для её торца Если рассматривать график «нагрузка – осадка» (см. рисунок 2.24), то можно заметить, что до значения нагрузки 300 кН линия имеет прямолинейный характер, а затем происходит «искривление», что соответствует началу уменьшения приращения сопротивления грунта на боковой поверхности. Также «искривления» видны при нагрузках 400 кН и 500 кН, что указывает на постепенное уменьшение приращения сопротивления грунта на боковой поверхности. При нагрузке 600 кН можно заметить уже резкий «перелом» графика, что соответствует моменту, когда дальнейшее сопротивление сваи обеспечивается только торцом.
Можно отметить, что полученные результаты в ходе экспериментального исследования формирования сопротивления грунта на боковой поверхности опытной тензосваи подтверждают приведенные в предыдущей главе результаты исследований других авторов.
Исходя из вышесказанного, общий характер работы боковой поверхности на границе «свая-грунт» выглядит следующим образом: по мере загрузки сваи постепенно в работу вовлекаются сначала верхние, а затем и нижерасположенные участки сваи. Верхние участки боковой поверхности сваи начинают работать сразу же по загружению, далее суммарное сопротивление увеличивается по мере роста нагрузки до того момента, когда в работу вступит пята сваи. С этого момента интенсивность увеличения сопротивления грунта на боковой поверхности постепенно затухает. Когда в работу включится вся свая и по всей её длине начинается проскальзывание грунта, сопротивление грунта на боковой поверхности достигнет своего максимального значения, и дальнейшее приращение нагрузки будет восприниматься только пятой.
Комплексные исследования работы буронабивных свай различной длины и диаметра в разнообразных грунтовых условиях требуют большое количество опытных свай. Ввиду того, что выполнение столь масштабных экспериментов потребует значительных материальных затрат, имеет смысл использовать альтернативные способы решения подобных задач. Одним из та ких способов является применение численных методов. Удобство данного метода заключается в возможности моделирования натурных испытаний свай с возможностью варьирования любых параметров. Необходимо только вы полнить оценку сходимости результатов, полученных численным и натур ным методом. Для такого анализа был применен программный комплекс Plaxis. Для исследования касательных напряжений на боковой поверхности тензосвая моделировалась в Plaxis 2D в осесимметричной постановке (см.
Грунтовый массив ограничивался в горизонтальном направлении на расстоянии 6 м от оси сваи, а в вертикальном – 12 м от поверхности грунта. По глубине слои задавались толщиной 1 м с различными характеристиками грунта. Характеристики грунта задавались в зависимости от данных зондирования. Так как по данным зондирования представляется возможным определение только стандартных характеристик (с, ср, Е), то в качестве модели грунта принималась модель Мора-Кулона. Свая моделировалась отдельным кластером с характеристиками бетона. В качестве модели материала сваи принималась линейно упругая модель. На боковой поверхности контакт бетона с грунтом моделировался введением интерфейсных элементов с понижающим коэффициентом 0,67 (по рекомендации руководства).
Что касается характеристик грунта, принимаемых по данным зондирования, то необходимо отметить, что предлагаемые нормативными документами [90] значения зависят только от сопротивления грунта под конусом зонда (qc). Отсутствие в нормах возможности определения характеристик грунта от двух показателей статического зондирования (qc и fs) не позволяет находить зависимости сопротивления грунта на боковой поверхности от данных зондирования по муфте трения (fs). Таким требованиям отвечает методика определения характеристик грунта по двум параметрам статического зондирования, разработанная в «БашНИИстрое» [83], также отраженная в рекомендациях [75].
Для оценки возможности применения значений характеристик грунта, принятых по данным зондирования, моделирование тензосваи проводилось с учетом характеристик, принятых по СП [90] и «Рекомендациям» [75].
На рисунке 2.26 представлены графики распределения касательных напряжений на боковой поверхности, полученные по результатам натурных и численных исследований. Из рисунка видно, что графики (2 и 3) довольно близки между собой, но график (2) ближе по характеру кривизны к натурным результатам. Таким образом, использование характеристик грунта определенных по двум параметрам статического зондирования (qc и fs) при численном исследовании дает удовлетворительную сходимость с натурными испытаниями.
По результатам численных исследований также были получены графики «нагрузка-осадка» для моделируемой сваи (см. рисунок 2.27). Рисунок 2.26 – Эпюры распределения касательных напряжений на боковой поверхности моделируемой сваи при нагрузке 600 кН
Как видно из рисунка, при использовании характеристик грунта, принятых по [90], сопротивление грунта на боковой поверхности исчерпывается при нагрузке 500 кН, а при использовании характеристик грунта, принятых по [75], при 700 кН. Отличие расчетных значений от результата, полученного при натурных испытаниях, заключается в принятом постоянном понижающем коэффициенте (Rinter=0,67) для интерфейсных элементов на контакте боковой поверхности сваи и грунта. Очевидно, коэффициент Rinter должен иметь различные значения в зависимости от характеристик грунта. Общий же ха 70 рактер изменения графиков (2 и 3) (см. рисунок 2.27) соответствует натурному графику (1), что говорит о достоверности результатов, полученных в результате расчета. Таким образом, использование программного комплекса Plaxis 2D позволит получить необходимые зависимости при условии сопоставления в дальнейшем с результатами натурных испытаний.
Отличительная особенность буронабивных свай состоит в том, что они устраиваются из монолитного железобетона в предварительно выбуренных скважинах. Буронабивная свая работает в естественном основании и у неё обеспечивается контакт боковой поверхности с грунтом по всей длине. Забивная же свая работает в зоне уплотненного грунта, но контакт по боковой поверхности с грунтом обеспечивается не по всей её длине, так как в верхней части сваи, как правило, имеет место «проработка». Поэтому для оценки эффективности применения данных видов свай была поставлена задача сопоставления их технико-экономических показателей на основании экспериментальных исследований. Для этого были выбраны оптимальные для сравнения конструкции забивных и буронабивных свай (длиной 3,5-4,0 м; сечением 30х30см и 30см).
Третья опытная площадка вблизи города Уфы, на которой проводились исследования, представлена четвертичными глинами от тугопластичной до твердой консистенции. Грунты площадки по глубине достаточно однородные. Грунтовые воды вскрыты на глубине 6 м. На площадке в близи устройства свай выполнялось статическое зондирование установкой С-832 «со стабилизацией»
Построение графика «нагрузка-осадка» вертикально нагру-женных буронабивных свай по данным статического зонди-рования
Для оценки достоверности предложенной методики расчета возьмем результаты испытаний буронабивных свай С-1, С-2, С-4, С-5, С-6, С-7. Для этой группы свай был выполнен расчет несущей способности по предлагаемой методике, а также по полученным графикам «нагрузка-осадка» в ходе натурных испытаний. Полученные результаты представлены в таблице 4.3.
Для комплексного анализа объединим результаты испытания и расчетов (по данным зондирования) грунта основания буронабивных свай (С-1…С-7) и штампов (3, 4, 10-12) в виде диаграммы рассеивания (см. рисунок 4.5).
Исходя из имеющихся результатов анализа, можно сказать, что предложенный метод имеет хорошую сходимость и может быть использован для определения несущей способности буронабивных свай по данным статического зондирования в глинистых грунтах.
Сопоставление результатов расчета буронабивных свай по предложенной методике и СП 24.13330.2011 с натурными испытаниями
С целью сопоставления предложенной методики расчета буронабивных свай по данным статического зондирования с методикой СП 24.13330.2011 приняты шесть свай С-1, С-2, С-4…С-7. Для данных свай с помощью этих методик определялась несущая способность с использованием данных статического зондирования (таблица 4.4).
При сопоставлении полученных результатов с данными натурных испытаний можно отметить, что несущая способность, определенная по предложенной методике, дает значения меньше на 1-23% (в среднем на 9%), тогда как значения, полученные по СП, меньше на 18-40% (в среднем на 29%). Следовательно, существующая в нормах методика приводит к недоиспользованию потенциала сваи по несущей способности до 29%, тогда как предложенная методика дает более точные результаты и до 17% эффективней методики по СП 24.13330.2011.
Выполненные исследования вертикально нагруженных буронабивных свай в глинистых грунтах позволяют сделать следующие выводы.
1. На основании результатов экспериментальных и численных исследований вертикально нагруженных буронабивных свай построена расчетная схема и составлена методика расчета данных свай в глинистых грунтах с использованием данных статического зондирования.
2. Разработан метод построения графиков «нагрузка – осадка» с использованием результатов методики определения несущей способности бу-ронабивных свай по данным статического зондирования.
3. Выполненная оценка сходимости результатов расчета по предложенной методике и результатов натурных испытаний показала тесную связь между этими значениями (коэффициент корреляции r=0,99).
4. С использованием разработанного метода расчета, также реализованного на ЭВМ, было выполнено сопоставление расчетных данных с опытными. Расхождение результатов расчета по несущей способности буронабив-ных свай с использованием предложенной методики составляет в среднем 9%. Расхождение результатов, полученных по методике СП 24.13330.2011, составляет в среднем 29%.
Предельное сопротивление буронабивной сваи в точке зондирования определяется по двучленной формуле (4.1), представляющей собой сумму сопротивлений грунта под торцом и на боковой поверхности. Предельное сопротивление грунта под торцом сваи (формула 4.2) находится путем произведения среднего значения сопротивления грунта под конусом зонда в пределах одного диаметра выше плоскости торца сваи и двух диаметров ниже на площадь поперечного сечения и коэффициент перехода k1. Предельное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи (формула 4.3) находится как сумма произведений для каждого i-го слоя грунта, данных статического зондирования по муфте трения зонда, переходного коэффициента k2 и толщины i-го слоя h.
Коэффициенты условия работы принимаются следующим образом: - для торца коэффициент cR равен 1 для всех случаев, когда осуществляется зачистка или уплотнение забоя скважины; - для боковой поверхности коэффициент cf равен 1 для свай, устраиваемых сухим способом. Несущая способность сваи определяется путем статистического анализа полученных значений сопротивления в каждой точке зондирования с учетом коэффициента достоверности метода расчета (формула 4.4). Статистическая обработка выполняется согласно формулам (4.5-4.7). Коэффициент достоверности метода расчета принимается на основании опыта использования данной методики. Данный коэффициент принимается для Республики Башкортостан m1=1. Для районов, где не выполнялся анализ достоверности, данный коэффициент рекомендуется принимать m1=0,8.
По результатам выполненных расчетов можно построить графики «вертикальная нагрузка-осадка» как для всей буронабивной сваи, так и для её боковой поверхности и торца в отдельности с использованием формул (4.8 и 4.9).
С целью автоматизированного расчета несущей способности буронабивных свай разработана программа расчета на вертикальную нагрузку с использованием данных статического зондирования грунтового основания «BNS-Zond».
Исходные данные для расчета по программе «BNS-Zond» включают: - отметка уровня планировки и точки зондирования; - геометрические размеры буронабивной сваи; - коэффициенты условия работы и достоверности; - данные статического зондирования. В результате выполненного расчета определяются сдвиговая осадка, предельное сопротивление по грунту торца и боковой поверхности сваи. Также выдаются значения для построения графиков «вертикальная нагрузка-осадка». Пример расчета по программе «BNS-Zond» приведен в приложении 6.
Материалы выполненных исследований были использованы при проектировании фундаментов из буронабивных свай «Цеха лесопиления» на территории ООО «БашЛПК» в Белорецком районе Республики Башкортостан. Проект выполнялся с целью корректировки существующего проекта с учетом переноса частично смонтированных конструкций.
Геоморфологически площадка располагается в межгорной котловине, освоенной реками Белая, Нура, Укшук и др. на предгорной трассе. Рельеф площадки полностью техногенный, обусловленный работами по демонтажу
Проектом, разработанным ГУП институтом «БашНИИстрой», было предусмотрено выполнение фундаментов из буронабивных висячих свай диаметром 350 мм и длиной 5 м из бетона класса В15. Расчетная нагрузка на сваю составила 194 кН. Общее количество свай составило 216 шт. Общий вид расположения буронабивной сваи и её каркас показаны на рис. 5.1.
