Опыт исследования работы свай различной формы в условиях слабых грунтов

УДК 624.131.384

ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СВАЙ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ В УСЛОВИЯХ СЛАБЫХ ГРУНТОВ.

_В. Л. Седин, д. т. н., проф., зав. каф., В. Б. Швец, проф.,

А. И. Алексеев к. т. н., доц., М. П. Захваткин, к. т. н., доц., К. М. Бикус, студ.

Ключевые слова: Свая, уширение сваи, несущая способность, призматические-, трапецеидальные, треугольные сваи, статические и динамические испытания.

Постановка проблемы. Встречаются инженерно-геологические условия строительной площадки, когда происходит чередование слоев грунтов, сильно отличающихся по своим физико-механическим характеристикам, в частности, прочностным. Грунты с «высокими» прочностными характеристиками залегают на различных глубинах, в диапазоне верхнего и нижнего слоев геологического разреза. Это значительно затрудняет процесс выбора рационального свайного фундамента. В решении таких задач приобретают важность натурные исследования свай. Поэтому влияние выбора формы сваи на ее несущую способность целесообразно исследовать только по результатам полевых испытаний.

Программой исследования несущей способности свай разной формы было предусмотрено испытание следующих типов свай: трапецеидальных; пирамидальных; треугольных.

Длина сваи всех типов была принята равной 7 м.

Для сравнения несущей способности стаи разной формы было запланировано проведение испытаний призматических свай длиной 7 м с размерами поперечного сечения ствола 30 х 30 см.

Отдых сваи составлял от 10 суток до 1 года.

Всего на территории опытной площадки было проведено 29 испытаний свай статической нагрузкой [1], в том числе: на вертикальную сжимающую нагрузку 19 испытаний (из них 6 трапецеидальных, 4 пирамидальные, 3 треугольные и 6 призматических свай); на вертикальную выдергивающую нагрузку 6 испытание призматических свай длинной 6,7,8 и 10 м; на горизонтальную нагрузку - испытания призматических свай длиной 6 - 8 м.

Методика испытания свай на все виды нагрузок принята по ГОСТ 5686-94. [2]

При испытании на вертикальную снимающую нагрузку были использованы две схемы нагружения: с использованием загрузочных платформ и анкерных свай, с главной и второстепенными балками.

Результаты испытания свай вдавливающей нагрузкой.

1. Призматические сваи. Всего на опытной площадке было испытано 6 призматических свай, причем две сваи длиной 7 м были испытаны через год после забивки, а четыре сваи длиной 6, 7, 8 и 10 м имели "отдых" соответственно 15, 25, 10 и 15 суток.

Расчетная несущая способность свай, имеющих продолжительность "отдыха" один год, составила 31,2 и 40 тс, расстояние в плане между этими сваями равнялось 2,4 м, т. е. 8 диаметров поперечного сечения сваи. Это расстояние следует считать минимальным, исключающим взаимовлияние свай при статической работе в грунте. Расчетная несущая способность сваи длиной 7 м при "отдыхе" 25 суток составила 41,2 тс, или на 3 % больше, чем такой же сваи, испытанной через год после забивки. Таким образом, опытами установлено, что существенного увеличения несущей способности призматических свай во времени в данных грунтовых условиях не происходит.

Одним из актуальных вопросов проектирования свайных фундаментов является выбор целесообразной длины свай. С этой целью на опытном полигоне были проведены испытания свай длиной 6, 7, 8 и 10 м, не предусмотренных программой исследований. Наиболее высокая несущая способность получена для свай длиной 8 м - 46,8 тс. При оценке по приведенной несущей способности, имеющей размерность тс/м3, наиболее целесообразной из рассмотренных оказывается свая длиной 6 м, для которой приведенная несущая способность составила 77 т/м3. Приведенная несущая способность свай длиной 7 и 8 м равняется примерно 65 т/м3, а у сваи длиной 10 м она снижается до 49 т/м3.

2. Трапецеидальные сваи. Установлено что наиболее эффективно применение трапецеидальных свай в грунтовых условиях, которые характеризуются снижением прочностных свойств грунтов с глубиной. Эффективность свай такой конструкции тем выше, чем значительнее уменьшение прочностных свойств грунта с глубиной в пределах активной толщи. В этом случае расклинивающий эффект, возникающий за счет наличия двух наклонных

граней сваи, приводит к появлению нормальных напряжения, которые, дополняя касательные напряжений, возникающие при трении сваи о грунт, увеличивают сопротивление сваи под действием внешней статической нагрузки.

На опытной площадке были испытаны 5 трапецеидальных свай, имевших продолжительность "отдыха" один год, и одна свая, время "отдыха" которой после забивки составляло 21 сутки.

Четыре трапецеидальныесваи (№ 3, 4, 5, 15) были забиты и испытаны на компактном участке опытной площадки в районе геологических скважин 2. Свая № 33а была расположена в 40 м.

Несущая способность трапецеидальных свай, забитых в районе геологических скважин 2, несколько ниже, чем призматических свай такой же длины, что можно объяснить на основе анализа грунтовых условий. Инженерно-геологические изыскания, выполненные трестом, свидетельствуют, что физико-механические свойства грунтов в пределах 8 - 9 -метрового слоя изменяются в очень широких пределах. Так, показатель консистенции в верхнем слое толщиной 2 - 3 м изменяется в интервале 0,2 - 0,8. В подобных грунтовых условиях трапецеидальные сваи, как уже указывалось выше, не рекомендуются к применению в связи с тем, что малая прочность наиболее активной для таких конструкций верхней, 2 - 3 метровой толщи, не вызывает расклинивающего эффекта в грунте.

Свая № 33а, расположенная в 40 метрах, имеет несущую способность 56 тс, что примерно на 55 % больше, чем для призматических свай той же длины.

Несущая способность трапецеидальной сваи № 18/1, испытанной после "отдыха" 21 сутки, составляет 44 тс, что на 7 % выше, чем призматической сваи № 6/1 такой же длины, испытанной после "отдыха" 25 суток.

3. Пирамидальные сваи. По грунтовым условиям область применения пирамидальных свай в целом такая же, как трапецеидальных, в силу чего выводы, сделанные для трапецеидальных свай, распространяются и на пирамидальные.

На опытной площадке были испытаны 4 пирамидальные сваи.

Несущая способность всех испытаний свай имела хорошую сходимость и была равной 36 тс, т. е. была примерно такая же, как и усредненная из двух испытаний несущая сходимость призматических свай. Вследствие несколько большего объема пирамидальных свай, чем трапецеидальных и призматических длиной 7 м, приведенная несущая способность пирамидальных свай составляет 50 тс/м3.

Т а б л и ц а 1

Статические испытания свай разной формы на опытном полигоне

№ сваи Тип сваи Прог. м Отдых, сут. Статические испытания

Рн, тс Рр, тс Р прив.тс/м3 тс/м3

18а Призматическая -7 м 6,5 330 39 31,2 50,0

18б 345 50 40 63,5

3 Трапецеидальная - 7 м 6,5 360 40 32 50,8

4 6,5 360 35 28 44,4

5 6,5 359 40 32 50,8

15 6,5 360 35,5 28 44,4

33а 6,5 330 70 56 89

10 Пирамидальная -7 м 6,5 350 45 36 -

11 6,5 - 45 36 -

12 6,5 - 45 36 50

32 6,5 - 45 36 -

6 Треугольная - 7 м 6,5 - 34 37,2 45,8

8 6,5 - 45 36 58,6

33 6,5 - 57 45,6 73,5

6/1 Призматическая -7 м 6,5 23 51,5 41,2 62,4

12/1 Призматическая -8 м 7,5 10 58 46,8 65

14/1 Призматическая -10 м 9,5 15 55 44 49

18/1 Трапецеидальная - 7 м 6,5 21 55 44 70

4. Треугольные сваи. Треугольные сваи эффективны в грунтовых условиях, характеризующихся залеганием слабых грунтов на глубину, большую глубины погружения сваи. Такие сваи относятся к конструкциям с развитой боковой поверхностью. Боковая поверхность треугольных свай примерно на 13 % больше, чем призматических свай с равновеликой площадью сечения (30 х 30 см), а объем треугольных свай меньше примерно на 2 %. Как показывают многочисленные исследования, в слабых грунтах доля несущей способности по боковой поверхности от общей несущей способности сваи значительно выше 50 %, в связи с этим целесообразно применять конструкции, имеющие при одинаковой площади поперечного сечения больший периметр.

На опытной площадке были испытаны три треугольные сваи. Приведенная несущая способность треугольных свай была выше, чем у призматических свай такой же длины (сваи № 33 и 12/1), в среднем на 12 %.

5. Анализ испытаний. 1. Выполненные статические испытания показали следующее. На территории опытной площадки несущая способность однотипных свай, располагаемых на расстоянии до 50 м друг от друга, отличается на 50 % и более.

2. Расчётная несущая способность призматических свай длиной 7, 8 и 10 м на вдавливающую нагрузку равняется соответственно 41, 46,8 и 44 тс. Приведенная несущая способность этих свай составляет 65 тс/м3 для сваи длиной 7 и 8 м х 49 тс/м3 для сваи длиной 10 м.

3. Расчетная несущая способность трапецеидальных свай в пределах опытной площадки меняется от 28 до 56 тс.

Сравнение несущей способности трапецеидальных и призматических свай одинаковой длины, имеющих близкое взаимное расположение (первая группа - сваи № 3, 4, 5, 15, 18а, 18б, вторая группа - свай № 33 а, 18/1 и 12/1) показывают, что на участке первой группы трапецеидальные сваи имеют несущую способность ниже, чем призматические. Грунтовые условия этого участка отличаются налеганием грунтов тугопластичной консистенцией в верхней части разреза? что для трапецеидальных свай нецелесообразно. На участке второй группы трапецеидальные сваи имеют несущую способность на 6,5 и на 30 % выше, чем призматические.

4. Расчетная несущая способность пирамидальных свай равняется 36 тс, что примерно соответствует несущей способности призматических свай, однако, учитывая несколько больший объем пирамидальных свай и трудоемкость их изготовления, они менее эффективны и в грунтовых условиях, аналогичных условиям опытной площадки, и не рекомендуются к применению.

5. Расчетная несущая способность треугольных свай в пределах опытного полигона меняется от 27,2 до 45,6 тс.

Сравнение несущей способности треугольных и призматических свай одинаковой длины, имеющих близкое взаимное расположение (первая группа - свай № 6, 8, 18а и 18б, вторая группа - сваи № 33 и 12/1) показывает, что на участке первой группы треугольные сваи имеют несущую способность ниже, чем призматические. На участке второй группы треугольные сваи имеют несущую способность на 11 % выше, чем призматические. Приведенная несущая способность треугольных свай выше, чем у призматических, благодаря несколько меньшему объёму.

6. Опытами установлено, что увеличения несущей способности свай во времени в данных грунтовых условиях практически не происходит.

7. Расчетная несущая способность призматических свай длиной 7, 8 и 10 м на вертикальную выдергивающую нагрузку составляет соответственно 13 тс, 13 тс и 18 тс.

8. Расчетная несущая способность призматических свай длиной 6 и 8м на горизонтальную нагрузку составляет соответственно 1,5 и 1,75 тс.

9. Предварительный выбор варианта свайного фундамента для зданий и сооружений на опытной площадке рекомендуется производить на основе следующих типовых схем грунтовых напластований:

а) с поверхности на большую глубину залегают непрочные (слабые) грунты;

б) в слое непрочного грунта большой мощности залегает небольшой слой прочного грунта на глубине 3 - 5 м;

в) в слое прочного грунта и на глубине 3 - 5 м залегает прослойка непрочного грунта;

г) под слоем непрочного грунта толщиной до 15 - 20 м залегает прочный грунт;

д) в слое непрочного грунта большой мощности расположены на разных глубинах небольшие прослойки (линзы) прочного грунта.

В схеме напластований "а", а также в схемах "б", ''в", "д" при толщине прослоек прочного грунта до 2 м рекомендуется применять призматические сваи и сваи с развитой боковой поверхностью: трубчатые, тавровые, прямоугольные, треугольные и т. п.; в схеме напластований "б" при толщине слоя непрочного грунта 6 - 8 м - сваи о уширением ствола у острия (плоским или объемным). В схеме напластований "в" - трапецеидальные сваи.

В схеме напластований "г" - призматические составные сваи сечением 30 х 30см или 35 х 35см длиной 15 - 20 м.

Не рекомендуются к применению как нерациональные:

а) призматические сваи большой длины (более 10 м); когда модуль деформации уменьшается с глубиной или возрастает показатель консистенции. В этом случае не эффективно также увеличение размеров поперечного сечения призматических свай вследствие компактности квадратного сечения;

б) сваи с уширениями ствола - при залегании грунтов с постоянными или ухудшающимися прочностными свойствами;

в) трапецеидальные сваи, а также любые сваи с наклонными гранями - при залегании грунтов с увеличивающимися по глубине прочностными свойствами.

Были проведены исследования работы свай на вертикальную вдавливающую нагрузку в полевых условиях.

Статические и динамические испытания свай проводились на трех площадках.

На опытной площадке № 1 были проведены испытания одиннадцати типов экспериментальных конструкций свай с квадратными уширениями у острия, имеющих высоту 80 см (с учетом острия высота уширения составляла 100 - 110 см), а также с уширением в виде креста с толщиной стенок 12 см и высотой 100 см. Наряду с опытными сваями были проведены статические испытания обычных призматических свай длиной 8,5 м сечением 30 х 30см и комбинированных свай длиной 14 м, состоящих из деревянной и железобетонной части того же сечения. Площадка испытаний была с поверхности представлена намывным песком мощностью до 3 м, ниже до глубины 6 - 10 м залегают текучепластичные суглинки, подстилаемые водонасыщенным мелкозернистым песком на значительную глубину.

Выполненные исследования, а также технико-экономический анализ позволил рекомендовать для внедрения забивные сваи с уширением у острия взамен комбинированных свай длиной 19,7 м, предусмотренных рабочим проектом

Т а б л и ц а 2

Предельные нагрузки на сваю

№ сваи Марки сваи Кол-во стат. испытаний Предельная нагрузка на сваю Расход материала Удельный разход матер. на 1т.

т % 3 м 3 м %

1 С 8,5-30 2 45 100 0,765 0,0170 100

2 СК 1430 3 85 189 1,14 0,0134 79

3 СУ 9-50 2 80 178 0,94 0,0117 69

4 СУ 9-60 2 85 189 1,06 0,0125 74

5 СКУ 9110 1 75 166 0,98 0,0130 77

Примечание: С 8,5-30 - свая призматическая, длиной 8,5 м, сечением 30 х 30см; СК 14-30 - комбинированная, длиной 14 м того же сечения; СУ 9-50 и СУ 9-60 - с уширением общей длиной 9 м, размеры уширения 50 х 50 х 8см и 60 х 60 х 80 см; СКУ 9-110 - с крестовым уширением в 110 см. 38

На опытной площадке № 2, сложенной арендующимися до глубины 20 м слоями (по 2 - З м) суглинков тугопластичной, мягкопластичной и текучепластичной консистенции, были проведены испытания свай с плоскими уширениями, которые располагались у острия и на стволе сваи.

Уширение сваи № 3 располагалось в слое тугопластичного суглинка, а уширение свай № 4 и № - в слое мягко и текучепластичного.

Несущая способность свай с уширением больше, чем у обычных призматических свай, прячем это увеличение зависит от расположения уширения на стволе сваи и от вида грунта. Испытания данных конструкций свай проводились дважды после различного их «отдыха». Они показали:

а) в мягкопластичных и тугопластичных суглинках упрочнение грунта и, следовательно, увеличение несущей способности свай происходит в течение длительного времени, превышающего 2- месячный срок после погружения (вторичные испытания были проведены через 360 дней); это объясняется не только тиксотропным упрочнением грунта, но и в определенной мере зависит от условий забивки, а также инструктивных особенностей свай;

б) полученное увеличение несущей способности свай можно учитывать при проектировании свайных фундаментов, так как процесс засасывания свай носит необратимый характер.

Производственная забивка свай с уширением длиной 5, 7 и 9 м на площадке № 3 показала их высокую несущую способность при заглублении острия свай в слой песка, который на глубину 2 - 6 м перекрыт суглинком; несколько меньшую несущую способность, по данным динамических испытаний, имели сваи при заглублении их в слой суглинка.

Выводы. 1. Установлено, что повышение несущей способности обычных призматических свай в ряде грунтовых условий за счет увеличения их длины или поперечного сечения не всегда является эффективным, так как ведет к росту удельного расхода материала на единицу несущей способности. Поэтому в последнее время наметились пути совершенствования конструкций обычных свай, к которым можно отнести устройство жестких уширений на стволе

призматической сваи.

Наиболее рациональным видом свай с уширением ствола по условиям технологии изготовления и погружения признаны забивные сваи с квадратным или плоским уширением, имеющим площадь сечения в интервале 2 000 - 3 000см2, а высоту Иу = (1.5 — 3)6, где Ь -

сторона ствола сваи.

1) Выявлены некоторые особенности погружения свай с уширением у острия в двухслойное основание, заключающиеся в том, что грунтовое ядро, образованное из верхнего, более слабого слоя, постепенно выдавливается более прочным нижним слоем при прорезании последнего.

2) Установлено, что при работе сваи с уширением у острия объем уплотненной зоны грунта определяется площадью поперечного сечения уширения и почти не зависит от его высоты; при заботе таких свай в ряду в межсвайном пространстве происходит заметное уплотнение грунта, с увеличением нагрузки зона напряжения под каждой сваей переходит в общую зону и ряд свай начинает работать в основании, как единый фундамент.

3) Определяющей величиной несущей способности свай с уширением в глинистом грунте, независимо от глубины погружения, является лобовое сопротивление, значительно превосходящее силы трения, доля острия в общей несущей способности для свай с уширением больше, чем у обычной призматической сваи, сечение которой равно сечению уширения.

4) Устройство уширения не только способствует увеличению несущей способности сваи при действии сжимающих нагрузок, но и значительно повышает их сопротивление действию горизонтальных усилий, особенно в тех случаях, когда пазухи над уширением заполнены грунтом. Сваи с расположением уширения на стволе, в связи с включением в работу значительного объема грунта под уширением, могут воспринимать большие горизонтальные воздействия, чем сваи с уширением у острия.

5) Сваи с уширением наиболее рационально применять в слабых грунтах, подстилаемых на некоторой глубине грунтом с большей несущей способностью.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 48 с.

2. ГОСТ-5686-94. Методы полевых испытаний сваями. М., 1995. - 49 с. УДК 624.15: 626/627

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОДЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ФУНДАМЕНТОВ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ВВЭР-1000

В. Л. Седин, д. т. н., проф., Е. А. Бауск, зав. лаб., С. И. Головко, к. т. н., доц.

Ключевые слова: реакторное отделение, осадки, крен, натурные наблюдения, осадочная воронка, грунтовое основание.

Постановка проблемы. В настоящее время АЭС Украины, построенные в 80 - 90-х годах прошлого столетия, приблизились к завершению проектного срока эксплуатации, составляющего по нормам 30 лет. Однако мировая практика показывает возможность продления сроков эксплуатации оборудования, в том числе реакторных отделений, на 20 лет и более, при обеспечении их надежности и безопасности. Поэтому возникает потребность в оценке технического состояния и обоснования продления эксплуатации строительных конструкций АЭС. В данной работе проводится анализ влияния длительной деформации грунтового основания фундаментов реакторного отделения ВВЭР-1000.

Особенностью зданий и сооружений современных АЭС с точки зрения строительной науки являются более жесткие требования по деформационным параметрам как всего сооружения, так и отдельных его элементов. Предельные значения совместной деформации основания и сооружений АЭС устанавливаются исходя из необходимости соблюдения следующих предельных состояний:

а) максимально допустимые деформации сооружений, которые назначаются из условия работы технологического оборудования;

б) предельное состояние по прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций, включая общую устойчивость сооружений.

Для обеспечения безопасности работы энергооборудования АЭС, особенно элементов, относящихся к системам, важным для безопасности (СВБ), наибольшее значение приобретают выполнения первой категории предельного состояния [1]. Предельные значения совместной деформации основания и сооружений по технологическим требованиям устанавливаются соответствующими нормами проектирования зданий и сооружений АЭС, правилами технической эксплуатации энергооборудования или заданием на проектирование с учетом, в необходимых случаях, рихтовки положения оборудования в процессе эксплуатации. Так, крен реакторного отделения для реакторного аппарата типа ВВЭР-1000 ограничен величиной уклона фланца главного разъёма реактора на проектный период эксплуатации, период продления срока эксплуатации и период вывода из эксплуатации. Это ограничение обусловлено обеспечением безопасной работы реакторного аппарата.

Фундамент типового реакторного отделения ВВЭР-1000, конструкция которого применена на современных АЭС стран бывшего СССР, отличается значительными размерами и высоким давлением под подошвой фундамента.

Серийные унифицированные реакторные отделения АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 представляют собой массивные железобетонные сооружения весом 262 тыс. т с размерами в плане 68 х 68 м и высотой 67 м. Фундамент реакторного отделения представляет собой коробчатую железобетонную конструкцию размерами 68 х 68 м и высотой 20 м. Оболочка гермозоны представляет собой монолитный железобетонный цилиндр диаметром 45 м, перекрытый куполом. Монолитная нижняя железобетонная плита толщиной 2,5 м заглублена на 7 м. Среднее давление по подошве фундамента составляет 0,55 МПа (5,5 кгс/см2).

Существующие нормативы не описывают все особенности взаимодействия между фундаментом и грунтовым основанием [1; 2]. Чтобы сформировать адекватный базис для нормативов и произвести оценку безопасности и длительное обслуживание конструкции, важной для безопасности, были проведены специальные исследования поведения основания и фундамента. Данная статья обобщает опыт долговременных исследований на Запорожской,