Метод определения сил сопротивления по боковой поверхности свай с учетом направления вертикальной нагрузки

124

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

УДК 624.154

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПО БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ СВАЙ С УЧЕТОМ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ

НАГРУЗКИ

А.В. Самородов, доц., к.т.н., Харьковский национальный университет строительства и архитектуры, С.В. Табачников, ассист., Харьковский национальный университет городского хозяйства имени А.Н. Бекетова

Аннотация. На основании проведенных лабораторных и теоретических исследований сил сопротивления песчаного грунта по боковой поверхности модельной сваи предлагается новый метод определения несущей способности буровых свай в зависимости от действия выдергивающих или вдавливающих нагрузок, адекватность которого подтверждается натурными испытаниями.

Ключевые слова: метод, свая, боковая поверхность, силы сопротивления, состояние покоя, вертикальная нагрузка.

МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ СИЛ ОПОРУ ПО БІЧНІЙ ПОВЕРХНІ ПАЛЬ З УРАХУВАННЯМ НАПРЯМКУ ВЕРТИКАЛЬНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

О.В. Самородов, доц., к.т.н., Харківський національний університет будівництва та архітектури, С.В. Табачніков, асист., Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова

Анотація. На підставі проведених лабораторних і теоретичних досліджень сил опору піщаного ґрунту по бічній поверхні модельної палі пропонується новий метод визначення несучої здатності бурових паль залежно від дії висмикувальних або вдавлюючих навантажень, адекватність якого підтверджується натурними випробуваннями.

Ключові слова: метод, паля, бічна поверхня, сили опору, стан спокою, вертикальне навантаження.

THE METHOD FOR DETERMINING THE RESISTANCE FORCES ACTING ON THE LATERAL SURFACE OF PILES IN VIEW OF VERTICAL LOAD

DIRECTIONS

A. Samorodov, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), Kharkiv National University of Civil Engineering and Architecture , S. Tabachnikov, T. Asst., National University of Urban

Economy after O. Beketov, Kharkiv

Abstract. On the basis of laboratory and theoretical studies of the resistance forces of sandy ground on the lateral surface of the pile model proposes a new method for determining the bearing capacity of bored piles depending on the action pulling or pressed loads, the adequacy of which is confirmed by field tests.

Key words: pile, model, the lateral surface, resistance force, resting state, vertical load.

Введение свайным фундаментам, отсутствует учет

направленности вертикальной нагрузки В действующих нормативных документах (вдавливающей или выдергивающей) при

[1], основанных на известном СНиПе по определении несущей способности по боко-

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

125

вой поверхности свай. При этом, если принять во внимание коэффициенты условий работы сваи в грунте ус, то соотношение несущих способностей за счет сил сопротивления по боковой поверхности f при вдавливании и выдергивании будет равно Fd/Fdu=1,25.

Анализ публикаций

Впервые в работе В.Г. Березанцева и Го Нин [2] предлагалось учитывать напряженное состояние околосвайного массива грунта, представленного в виде линейно-деформированного полупространства, от действия равномерно распределенной вдавливающей нагрузки вдоль ствола сваи с применением решения Миндлина, однако для выдергивающих нагрузок такой поход не применим.

В своих теоретических исследованиях работы свай на вдавливание и выдергивание В.Н. Морозов [3] принимает работу сваи в упругом полупространстве в виде равномерно распределенного трения по боковой поверхности сваи, направленного соответственно вниз и вверх, и решает осесимметричную задачу с некоторыми допущениями о распределении бокового давления на сваю. Причем при действии противоположных сил трения (вдавливание и выдергивание) у всех определяемых величин меняется только знак на обратный. При этом автор делает вывод об увеличении именно в верхней части бокового давления грунта на ствол сваи при погружении, что противоречит решению [2] и современным исследованиям [4], а также о равенстве сил сопротивления по боковой поверхности сваи при действии вдавливающей и выдергивающей нагрузки в случае длинных свай с малыми диаметрами. Именно поэтому для подтверждения аналитического решения В.Н. Морозовым выполнены эксперименты [5] с дополнительной пригрузкой на поверхности, которая в десятки раз превышает давление по глубине опытных свай, что, собственно, и обеспечивает основное давление на боковую поверхность сваи, но не имеет смысла в области исследования несущей способности грунтового основания на действие разнонаправленных нагрузок на сваи.

С помощью запатентованного нами способа [6] проведен лотковый эксперимент [8] для выявления характера распределения по

длине L многосекционной модельной сваи сил сопротивления песчаного грунта по боковой поверхности в состоянии покоя Т0 [7], т.е. без учета вертикальной нагрузки, а также проанализировано влияние действия вдавливающей и выдергивающей нагрузок на изменение несущей способности песчаного грунта по боковой поверхности. При этом установлено, что соотношение значений несущих способностей при вдавливании и выдергивании находится в пределах 2,2 < Fdf / Fdu < 2,9, в зависимости от соотношений длины сваи к ее диаметру L/d.

На основании вышесказанного можно констатировать, что направление вертикальной нагрузки является одним из основных факторов, влияющих на изменение напряженного состояния околосвайного массива грунта, и имеет принципиальное значение при определении несущей способности по боковой поверхности свай. Однако до настоящего времени инженерных методов, учитывающих этот фактор, не предложено.

Цель и постановка задачи

Целью статьи является предложение нового метода и разработка методики по определению несущей способности по боковой поверхности свай при действии выдергивающих и вдавливающих нагрузок.

Обоснование и суть предлагаемого метода

Предлагаемый метод основывается на дифференцированном подходе к определению несущей способности по боковой поверхности свай, технология производства которых позволяет рассматривать сдвиг вдоль ствола сваи по схеме «грунт по грунту» (буровые, набивные и др.):

- определяются суммарные силы сопротивления вдоль ствола сваи в состоянии покоя Т0 в зависимости от напряженного состояния околосвайного массива и физико-механических характеристик (у, ц, ф и с) слагающих его слоев (здесь под «состоянием покоя» понимается состояние без учета вертикальной нагрузки);

- определяется дополнительное усилие обжатия Tdu или Td при действии соответственно вертикального выдергивающего или вдавливающего усилий.

126

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

Суммарная сила сопротивления в состоянии покоя Т0 определяется в соответствии с предложенной расчетной схемой (рис. 1) и равна

Т = и-Е/с,-h,,

где и и кг - периметр поперечного сечения ствола сваи и толщина ,-го слоя грунта, взаимодействующего с боковой поверхностью сваи соответственно;

следований [7, 8], который учитывает напряженное состояние околосвайного массива грунта в состоянии покоя. Так как в лабораторных условиях нами исследовался характер затухания напряжений до относительной глубины z/d < 21,7, то для больших значений z/d зависимость принята согласно решения В.Г. Березанцева [9] для осесимметричной задачи взаимодействия круглого в плане вертикального сооружения с сыпучей средой в состоянии предельного равновесия.

Л, = fag + Ф • kzg,, • Ч, • tg<P, + kc • c, ,

kzg}l - коэффициент затухания напряжений от собственного веса грунта czgtl (рис. 1) околосвайного массива в состоянии покоя (табл. 1, рис. 2), зависящий от относительной глубины z/d рассматриваемого l-го слоя; q -сплошная равномерно распределенная нагрузка в уровне головы сваи, например, от

Л, V, 1

вышележащего грунта и др.; к с, =—--------

1 “V, 2

коэффициент бокового давления грунта в середине ,-го слоя; v, - коэффициент Пуассона грунта в середине ,-го слоя; с, - сцепление грунта ,-го слоя; кс - коэффициент, учитывающий уменьшение сцепления с грунта в результате сдвига и назначаемый в зависимости от консистенции грунта [9].

Рис.1. Расчетная схема к определению суммарной силы сопротивления Тс в состоянии покоя

Следует отметить, что коэффициент kzg>i получен нами на основании лабораторных ис-

Таблица 1 Значения коэффициента затухания напряжений kg от относительной глубины z/d

z/d kzg z/d kzg z/d kzg z/d kzg

с 1,00 10 0,49 20 0,32 30 0,23

1 0,87 11 0,46 21 0,31 31 0,22

2 0,80 12 0,44 22 0,30 32 0,21

3 0,74 13 0,42 23 0,29 33 0,20

4 0,69 14 0,41 24 0,28 34 0,20

5 0,64 15 0,39 25 0,27 35 0,19

6 0,61 16 0,37 26 0,26 36 0,18

7 0,57 17 0,36 27 0,25 37 0,18

8 0,54 18 0,35 28 0,24 38 0,17

9 0,51 19 0,33 29 0,23 39 0,16

Рис. 2. Зависимость коэффициента затухания напряжений kzg от относительной глубины z/d

Для определения дополнительных сил Tdu обжатия грунта при действии выдергивающей нагрузки предложена расчетная схема на рис. 3, где распределение вертикальных на-

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

127

пряжений от действия касательных сил вдоль ствола сваи принято согласно инженерному подходу норм [1] при формировании подошвы условного фундамента.

Рис. 3. Расчетная схема к определению дополнительной силы обжатия Tdu от действия выдергивающей равномерно распределенной нагрузки Tq//

Дополнительная сила обжатия Tdu будет равна

Tdu = О Л •1 • u  Чср • tg Ф ,

где 1 - расчетная длина сваи; ф - среднее значение угла внутреннего трения грунта в пределах расчетной длины 1 сваи.

О а =

____т_

п 12 • tg

2 ф 4

напряжение от выдергивающей равномерно распределенной нагрузки Tq/1 на глубине z, равное по модулю и противоположное по направлению давлению от собственного веса

Решение кубического уравнения (4) предложено в графическом виде на рис. 4.

Рис. 4. Графики зависимости расчетной длины 1 от величины С

С помощью графиков рис. 4 можно определить расчетную длину 1 для принятой длины сваи L в зависимости от величины С. В случаях, когда значение величины С является большим, чем значение, соответствующее экстремуму графика зависимости для необходимой длины сваи L, то расчетную величину 1 следует принимать такой, которая соответствует экстремуму этого графика. Например, если для сваи длиной L=24 м соответствующее значение величины С будет больше максимального значения 2050, то расчетную длину 1 следует принимать равной 16 м. Следует отметить, что оптимальное соотношение 1/L стремится к значению 1/L-2/3.

В итоге несущую способность по боковой поверхности сваи запишем в виде

FdJ (Fdu) = ^ (Tq + Tdu)=kf (Tq+Tdu),

Fdu

0

грунта ozg

ОA = Оzg .

Выражение (3) можно записать в виде

где kf - коэффициент, учитывающий направление вертикальной нагрузки и принимаемый равным: kf =1 - при действии выдергивающей нагрузки; kf =2,2 - при действии вдавливающей нагрузки.

где

С =

13-Tq

n Y tg

L • 12+C = 0,

— ; у - среднее 2 Ф

4

значение

удельного веса грунтов в пределах глубины z.

Отмечаем, что эмпирический коэффициент kf при действии вдавливающей нагрузки принят для надежности минимальным, однако, согласно наших исследований, и при соответствующем обосновании его значения могут быть повышены в зависимости от L/d (рис. 5).

128

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

Рис. 5. График зависимости коэффициента kf от L/d при действии вдавливающей нагрузки

Для апробации предложенной методики проведены расчеты несущей способности по боковой поверхности буроинъекционных свай с различными геометрическими параметрами в различных грунтовых условиях (как в обводненных песчано-глинистых, так и в обводненных песчаных грунтах) при действии разнонаправленных вертикальных нагрузок, а также приведено сравнение с современными нормами [1].

Схемы расположения свай в грунтовых массивах представлены на рис. 6-8.

Физико-механические свойства грунтов приведены в табл. 2-4. Полученные данные сравниваются со значениями несущей способности при натурных испытаниях этих свай (табл. 5).

Рис. 6. Расчетная схема расположения свай в грунтовом массиве при реконструкции стадиона «Металлист» в г. Харькове

Испытания 12-метровых буроинъекционных свай 0620 мм проводились в грунтах природной влажности.

Таблица 2 Физико-механические свойства грунтов к расчетной схеме на рис. 6

Усл. обознач. і к п Ш Слой

1 - насыпной грунт 2 - суглинок твердый 3 - суглинок полутвердый ч Е CD Е Я § И К о . 0 я Е CD 1 ^ 1 о 5 - песок средней крупн., плотн. 6 - глина тверд.

Y кН/м 3 16,3 19,1 20,1 18,0 20,0 17,6

У sat кН/м 3 - 20,4 20,6 21,2 22,9 -

Ys кН/м 3 - 27,1 27,1 26,6 26,6 27,4

Ysb кН/м 3 - 10,7 11,2 10,1 10,3 -

w д.ед - 0,14 0,17 0,06 0,06 -

е д.ед - 0,60 0,53 0,65 0,55 0,82

с кПа - 35 40 8 8 23

ф град. - 24 25 36 38 22

Е МПа - 20 28 32 40 15

к д.ед - 0 0,15 - - 0,1

к д.ед - 0,1 0,11 - - 0,16

Следует отметить, что слой №6 (табл. 2) является глиной твердой (глиной зеленой, темнозеленой, твердой). Слой принадлежит к глинам палеогенового возраста, имеет значение показателя пластичности, равное 0,16, которое по нормативным документам соответствует суглинкам.

Рис. 7. Расчетная схема расположения свай в грунтовом массиве на площадке строительства жилмассива «Лесной квартал» в г. Бровары Киевской области

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

129

Испытания 16-метровой буроинъекционной сваи 0 620 мм проводились в грунтах природной влажности. Испытания являлись контрольными.

Таблица 3 Физико-механические свойства грунтов к расчетной схеме на рис. 7

Усл. обознач. І К п Ш Слой

Я нн 4 Е CD £ 5 § И К о . 0 я G CD 1 ^ 1 о 2 - песок мелк., плотный 3 - супесь пластичная опесчаненная 4 - песок пылеватый, плотный

Y кН/м3 16,5 18,3 17,6 19,4

Ysat кН/м3 19,0 20,4 18,7 20,8

Ys кН/м3 26,6 26,6 26,6 26,6

Jsb кН/м3 9,8 10,7 9,0 11,2

w д.ед 0,09 0,08 0,24 0,10

е д.ед 0,7 0,55 0,85 0,48

с кПа - 3 5 5

ф град. 27 33 16 32

Е МПа 23 38 7 37

11 д.ед - - 0,73 -

Ip д.ед - - 0,06 -

Рис. 8. Расчетная схема расположения свай в грунтовом массиве на площадке строительства жилмассива «Лесной квартал» в г. Бровары Киевской области

Испытания 20-метровых буроинъекционных свай 0620 мм проводились в грунтах природной влажности.

Руководствуясь методикой на основании предложенного метода и рекомендациями ДБН В.2.1-10-2009 Зміна №1, были проведены соответствующие расчеты по определению несущей способности рассматриваемых свай.

Таблица 4 Физико-механические свойства грунтов к расчетной схеме на рис. 8

Усл. обознач. $ К п Ш Слой

Я нн 4 Е cd К 5 § И К о . 0 я G CD 1 ^ 1 о 2 - песок пылеватый, средн. плотн. 3 - песок пылеватый, плотный 4 - песок мелкий, плотн.

Y кН/м3 16,5 17,1 19,4 21,3

Ysat кН/м3 19,0 19,5 20,8 21,5

Ys кН/м3 26,6 26,6 26,6 26,6

Jsb кН/м3 9,8 9,9 11,2 11,4

w д.ед 0,09 0,10 0,10 0,17

е д.ед 0,7 0,68 0,48 0,48

с кПа - 2 5 4

ф град. 27 26 32 35

Е МПа 23 15 37 48

1l д.ед - - - -

Ip д.ед - - - -

Таблица 5 Сравнение результатов

Тип данных Расхождение

Рисунок (расч. схема) Нормы, кН Метод, кН Натурн. испыт., кН Нормы с натурн. испыт., % Метод с натурн. испыт., %

Значения несущей способности по боковой поверхности свай при действии выдергивающих нагрузок

6 763,3 934,8 930,3 -18 +0,5

7 654,4 737,4 784,1 -17 +6

Значения несущей способности по боковой поверхности свай при действии вдавливающих нагрузок

6 954,2 2056,6 2128,5 -45 -3,4

8 1064,7 2083,4 2159,0 -33 -3,5

130

Вестник ХНАДУ, вып. 67, 2014

В табл. 5 значения несущей способности приведены только по боковой поверхности свай (Z/), т.е. без учета собственного веса свай при выдергивающих нагрузках, а также без учета влияния расчётного сопротивления под нижним концом свай, R, которое принималось равным для любой методики в соответствии с нормами [1].

Выводы

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Предложен новый метод определения несущей способности по боковой поверхности свай, учитывающий направление вертикальной нагрузки: выдергивающая или вдавливающая.

2. Впервые предложено выделять силы сопротивления по боковой поверхности сваи только за счет формирования околосвайного напряженного состояния от собственного веса грунта без влияния вертикальных нагрузок, т.е. условно - в состоянии покоя.

3. Получено теоретическое решение для учета дополнительной силы обжатия боковой поверхности сваи при действии выдергивающей нагрузки, а также эмпирически предложено учитывать эти силы при вдавливающей нагрузке.

4. На основании нового метода усовершенствована методика по определению несущей способности свай, результаты которой дают расхождение с натурными данными испытаний не более 6 %.

5. Результаты проведенных исследований показывают недоучет нормативной методикой влияния именно сопротивления по боковой поверхности свай на общую несущую способность.

Литература

1. Основи та фундаменти споруд. Основні

положення проектування: ДБН В.2.1-10-2009 Зміна №1. - Чинний від 2011-07-01. - К.: Мінрегіонбуд України, 2011. -55 с.

2. Березанцев В.Г. К вопросу об определении

несущей способности свай / В.Г. Березанцев, Го Нин // Н.-т. бюллетень «Основания и фундаменты». - М.: Гос-стройиздат. - 1959. - № 22.- С. 3-6.

3. Морозов В.Н. Теоретическое определение

изменения величины бокового давления грунта на сваю при вертикальных нагрузках / В.Н. Морозов // Научные

труды ЛИСИ. Основания и фундаменты.

- 1962. - № 37. - С. 139-146.

4. Новский А.В. Сопротивление по боковой

поверхности свай в условиях водонасыщенных грунтов одесского региона /

A. В. Новский, Ю.Ф. Тугаенко, Л.А. Василевская, В.А. Новский // Будівельні конструкції: міжвід. науково-технічний збірник наукових праць (будівництво). -2008. - Вип. 71. - С. 416 - 420.

5. Морозов В.Н. Экспериментальное опреде-

ление величины бокового давления грунта на сваю / В.Н. Морозов // Научные труды ЛИСИ. Основания и фундаменты. - 1962. - № 37. - С. 147-153.

6. Пат. 96859 Україна, МПК (2012) G 01 L

7/00-23/32. Спосіб визначення нормального тиску сипучих матеріалів на конструкції огорож; заявник О.В. Самородов, І.Я. Лучковський, А.В. Убийвовк, С.В. Табачніков, патентовласник Харківський національний університет будівництва та архітектури. № заявл. 20.05.2010; опубл. 12.12.2011, Бюл. №23.

- 4 с.

7. Самородов А.В. Способ определения сил

сопротивления песчаного грунта по боковой поверхности модельной сваи в состоянии покоя / А.В. Самородов, С.В. Табачников // Науковий вісник будівництва. - 2015. - Вип. 5(79). (подана в редакцію).

8. Табачников С.В. Экспериментальные ис-

следования сил сопротивления по боковой поверхности моделей свай / С.В. Табачников // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - 2015. - Вип. 1(43). (подана в редакцію).

9. Основания, фундаменты и подземные со-

оружения / М.И. Горбунов-Посадов,

B. А. Ильичев, В.И. Крутов и др.; под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофи-менкова. - М.: Стройиздат, 1985. - 480 с.

- (Справочник проектировщика).

10. Самородов А.В. Полевые исследования несущей способности буроинъекционных свай при действии выдергивающих и вдавливающих нагрузок / А.В. Самородов, С.В. Табачников // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - 2012. - Вип. 4(34). -

C. 239-245.

Рецензент: В.П. Кожушко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 9 декабря 2014 г.