О работе свай-стоек в скальных грунтах

О РАБОТЕ СВАЙ-СТОЕК В СКАЛЬНЫХ ГРУНТАХ DRILLED SHAFTS BEHAVIOR BASED ON ROCKS

M.B. Никишкин

МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР

В статье представлены результаты численных испытаний поведения свай в скальных массивах, устроенных таким образом, что сопротивление по боковой поверхности отсутствует и приложенная к свае нагрузка воспринимается только скальным грунтом под её концом (свая-стойка). Результаты исследований показывают, что, рекомендуемый строительными нормами расчёт, даёт некорректные результаты, поскольку не учитывает ряд важных механических характеристик сваи и скального массива.

The paper presents the results of numerical modeling of piers in rock masses. There is no shear resistance along the concrete- rock interface of the pier and applied load is transferring to the rock under the end of the pier. The results of the research show that the method of calculation recommended by the building codes is not correct as it does not take into consideration the number of mechanical characteristics both piers and rocks.

В натоящее время в отечественной практике при расчёте свай в скальных грунтах используется методика, рекомендуемая в СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты». Вместе с тем, результаты исследований, представленные в [3] показывают, что методика, предназначенная для расчёта свай - стоек нельзя использовать для расчёта «висячих» свай и свай, несущая способность которых обеспечивается, как сопротивлением по их боковой поверхности, так и передачей части нагрузки на скальный массив. Однако, и при расчёте свай - стоек указанная методика даёт завышенные результаты, т.к. она использует в качестве расчётного сопротивления основания, полученную в испытаниях на образцах, прочность на сжатие ненарушенного скального грунта. В действительности, реальная несущая способность скального массива, благодаря тре-щиноватости и различным дефектам, может быть в несколько раз ниже. Принимая это во внимание, в статье методом конечных элементов исследовалась работа двух свай -стоек: длинной (30м) и короткой (5м), несущая способность которых определялась только передачей нагрузки на скальный массив, что может соответствовать работе сваи, пересекающей толщу нескального грунта и опирающейся на коренную породу. В расчётной схеме такое взаимодействие со скальным грунтом обеспечивалось заданием нулевых характеристик контактных элементов вдоль боковой поверхности сваи. Как и в [1] исследовались буронабивные сваи в скальных грунтах средней крепости при двух значениях показателя качества скального массива: RQD=45% и RQD=75%. При этом рассматривались два соотношения между модулями упругости бетона сваи и скальной отдельности: Еб/Еотд=0,5 и Еб/Еотд=2,0. Учитывая, что модуль деформации скального массива определяется, как модулем упругости скальной отдельности, так и показателем качества массива RQD, выполнялось четыре численных эксперимента. Для них, при различных сочетаниях Еотд и RQD, были определены следующие значения модулей деформации скального массива Еск = 1250 МПа, 3750 МПа, 5000 МПа и

15000 МПа. Это соответствовало следующим четырём соотношениям модуля упругости бетона к модулю деформации скального массива ЕБ /Еск: 1,5; 5,0; 6,0 и 20,0. Предельное состояние скального массива устанавливалось в соответствие с законом Кулона, для чего задавались соответствующие значения параметров с и р. Для параметра с (удельное сцепление) принимались следующие значения: с = 1,0 МПа, 1,3 МПа, 2,5 МПа

и 3,9 МПа. Внутренний угол трения ф имел значения: ф = 350 и 40°. Предельное

состояние массива определяло его несущую способность под нижним концом сваи

чмакс , которое определялось средним значением вертикальных напряжений (Гг в этом

сечении. Предельное состояние сваи характеризовалось, используемым для определения начала разрушения скальных пород, критерием Хоека [2], что потребовало задания в исходных данных значений прочности бетона на сжатие и растяжение.

Результаты расчётов несущей способности свай - стоек, полученные численным методом, сравнивались с результатами, подсчитанными по рекомендациям СНиП и по методике, приведённой в [3].

Численные испытания позволили установить (рис.2и 3) предельные нагрузки на сваю, изменение осадок сваи в процессе эксперимента, а также несущую способность скального массива под сваей.

Анализ результатов расчётов короткой сваи показал (рис.2), что одним из важнейших факторов, влияющих на работу сваи, является модуль деформации скального массива Еск . Возрастание его величины приводит к значительному увеличению предельных нагрузок на сваю, осадок головы сваи и несущей способности основания под сваей. Графики на рис.2 показывают, что при уменьшении отношения ЕБ/Еск в 13,3 раза предельная

нагрузка на сваю увеличилась в 3.3 раза, а соответствующие этой нагрузки осадки - в 2,8 раза. При этом несущая способность массива возрастала в 3,4 раза.

Та же тенденция наблюдалась и в испытаниях длиппой сваи. Однако, в этом случае (рис.3), изменение жёсткости основания Еск повлияло на работу сваи в меньшей степени. Так, при увеличении модуля деформации скального массива в численных экспериментах

Ж

Рис.1. Расчетная схема испытаний

предельная нагрузка на сваю Q увеличилась только в 2,5 раза, осадки головы сваи 5 в 2,1 раза, а несущая способность основания под сваей qшкс возросла в 2,3 раза.

Рис. 2. График зависимости осадок от нагрузок для свай длиной 5 м

Рис. 3. График зависимости осадок от нагрузок для свай длиной 30 м

Другим важным фактором, определяющим работу сваи в скальном массиве, является изменение её длины. С увеличением заглубления в скальный массив увеличивается, взаимодействующая со сваей породная толща, что приводит к возрастанию воспринимаемой сваей, предельной нагрузки Q. Вместе с тем, численные эксперименты показали, что увеличение Q при увеличении длины сваи в различных расчётных случаях происходит неодинаково и зависит от величины модуля деформации скального

массива. При наименьшем модуле деформации массива Еск — 1250МПа, отноше-Q1л

ние —1— = 1,86. При более высоких значениях модуля деформации Еск = 3750МПа,5000МПа,15000МПа значения отношения ^дл уменьшаются

QKP

и соответственно составляют: 1,74; 1,5; 1,33.

Предельная нагрузка на сваю - стойку определяется несущей способностью скального массива на отметке конца сваи. Результаты численных экспериментов позволили проследить за влиянием, которое оказывает вес породной толщи на несущую

способность скального основания ЧМАКС под нижним концом сваи при увеличении её

длины. Графики на рис. 2 и 3 показывают, что во всех расчётных случаях несущая способность основания увеличилась. По результатам численных экспериментов для всех исследованных массивов, характеризуемых, указанными выше модулями деформаций - Еск = 1250 МПа, 3750МПа, 5000МПа и 15000МПа, были определены значения несущей способности скального массива Чшкс. Для короткой сваи прочностная характеристика Чшкс имела соответственно следующие значения: Чшкс = 2,4МПа; 2,8МПа; 5,4МПа; 8,1 МПа. В случае длинной сваи значения ЧМАКС увеличились и составили: Чшкс = 4,8МПа; 5,2МПа, 8,5МПа и 10,9МПа. Вместе с тем с увеличением модуля деформации скального массива влияние глубины заделки сваи на величину Чмакс уменьшалось. Так, если при модуле массива Еск = 1250МПа несущая способность основания под сваей Чшкс при увеличении её длины возросла в 2,02 раза, то в остальных расчётных случаях при Еск = 3750МПа, 5000МПа и 15000МПа возрастание Чшкс соответственно увеличилось в: 1,86; 1,57 и 1,34 раза.

Полученные расчётным путём значения несущей способности скального массива под сваей сравнивались со значениями, подсчитанными по методикам, приведённым в СНиП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты" и в работе [3].

В СНиП 2.02.03-85 несущую способность сваи - стойки определяется несущей способность грунта основания, рассчитываемой по формуле:

Ра=УсЯА

где ус - коэффициент условий работы сваи в грунте, А - площадь, через которую предаётся давление на грунт от сваи, Я - расчетное сопротивление скального массива, определяемое с помощью выражения:

где - нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие ненарушенного скального грунта в водонасыщенном состоянии, у6 - коэффициент надежности по грунт, ¡а - расчетная глубина заделки набивной и буровой свай и сваи оболочки в скальный грунт, / - наружный диаметр заделанной в скальный грунт части набивной, буровой свай или сваи-оболочки.

В работе [3] приведена методика расчёта несущей способности скального массива под сваей - стойкой, используемая американской ассоциации дорожного и транспортного строительства (ААБНТО) при сооружении дорожных мостов. В соответствие с этой методикой несущая способность скального массива Чшкс определяется следующим образом:

( а' \0'5

Чтах = [ГПЬ ^ + sJ ас + О^в

где

( а Л05

в = +5) +

здесь ть и ^ - коэффициенты, зависящие от показателя качества массива

и типа грунта, <гс - сопротивление скальной отдельности на одноосное сжатие, давление в уровне основания сваи от вышележащей толщи массива (рис.4).

Результаты исследований сравнивались с результатами расчётов по указанным выше методикам (Таблица 1). Прочность скальной отдельности на одноосное сжатие, обозначаемая (Rcж) или (о"с ) , принималась равной 50МПа.

Из таблицы видно, что величина несущей способности скального массива цмакс, подсчитанная по методике, изложенной в СНИП 2.02.03.-85 и не учитывающей специфических особенностей скальных массивов, в среднем на два порядка превышает величины цмакс, полученные по методике американской ассоциации дорожного и транспортного строительства [3] и результатам выполненных исследований.

_МГСУ

Таблица 1.

Длина сваи Несущая способность скального массива qмaкc по СНИП 2.02.03.-85 Несущая способность скального массива qмaкc по методике [3] Несущая способность скального массива qмaкc по результатам исследований Средние величины qмaкc по результатам исследований

5м qмaкc=140,8Ш Па qмaкc=5,99Ш Па qмaкc= 2,4 МП qмaкc= 2,8 МПа qмaкc= 5,4 МПа qмaкc= 8,1 МПа q Срмлкс = 4,67 МПа

30м qмaкc=580,9Ш Па qмaкc= 8,8 МПа qмaкc= 4,8 МПа qмaкc= 5,2 МПа qмaкc= 8,5 МПа qмaкc=10,9М Па Я^дкс =7,85МПа

Величины qмaкc, подсчитанные для свай - стоек длиной 5м и 30м по методике американской ассоциации дорожного и транспортного строительства являются осред-нёнными для категории скальных массивов средней крепости в диапазоне изменения показателя качества RQD от 45% до 75%. Они хорошо корреспондируются с результатами численных исследований. Их отличие от средних значений qмaкc, полученных в численном эксперименте (дмакс=4,67 МПа - для сваи 5м и qмaкc = 7,85МПа -сваи 30м), не превышает 6 - 10%. Вместе с тем пользоваться значениями qмaк, определёнными по методике американской ассоциации дорожного и транспортного строительства следует пользоваться с осторожностью, поскольку средние значения qмaкc, подсчитанные по результатам численных экспериментов, как для длинной, так и для короткой сваи (таблица 1) отличаются от наибольших и наименьших экспериментальных значений в среднем в 1,6 раза.

Результаты исследований показали также, что основным фактором, влияющим на модуль деформации скального массива, является показатель его качества (RQD). Если сравнить графики 2 и 3 на рис.2 и 3, то можно видеть, что в первом случае (график 2) модуль упругости скальной отдельности (Еотд = 12000 МПа) в четыре раза меньше,

чем во втором (Еотд = 48000МПа). Несмотря на это, модули деформации скального

массива в обоих случаях очень близки (Еск = 3700МПа и 5000МПа). Это лишний раз

подтверждает, отмечаемый рядом исследователей факт, что деформируемость скального массива в основном определяется степенью его трещиноватости, учитываемой RQD, а деформационные свойства слагающих массив пород играют второстепенную роль. Так,

в первом случае, при невысоком значении ЕОТд и при RQD=75% модуль деформации

массива Еск снижается по сравнению с ЕОТд в 3,2 раза, тогда, как, во втором случае,

при высоком значении ЕОТд и при RQD=45% модуль деформации массива по сравнению с модулем упругости скальной отдельности уменьшается в 9,6 раза.

В заключение можно отметить, что результаты проведённых численных экспериментов, а также обзор, имеющихся в этой области исследований, показали, что работа свай - стоек в скальных грунтах в настоящее время изучена недостаточно. Существующие методы расчёта не позволяют надёжно оценить, как несущую способность основания, а, следовательно, и предельные нагрузки на сваи, так и осадки свай. Рекомендуемая в СНИП 2.02.03.-85 и используемая в нашей стране методика, не учитывает факторы, влияющие на работу сваи в скальных грунтах, и даёт в несколько раз завышенные результаты при расчёте, действующей на сваю предельной нагрузки. Кроме того, она не позволяет определить, возникающие при этом осадки.

Используемые в зарубежной практике методики, хотя и учитывают специфику взаимодействия свай со скальным массивом, дают осреднённые результаты, приводящие в отдельных случаях к некорректной оценке работы сваи в скальном массиве. Всё это свидетельствует о том, что исследования в данной области должны быть продолжены, при этом особое внимание должно быть уделено разработке новых, более совершенных методик расчёта.

Литеатура:

1. М.Г.Зерцалов, М.В.Никишкин, Д.В.Устинов. «Особенности расчета буронабивных свай в скальных грунтах средней крепости»

2. М.Г.Зерцалов « Механика грунтов (Введение в механику скальных грунтов) АСВ.м.2006 г.

3. Lianyang Zhang Drilled Shafts In Rock, Analysis and Design

4. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»

Ключевые слова: фундаменты в скальных грунтах, буронабивные сваи, несущая способность свай, сопротивление сваи сдвигу, несущая способность основания, параметры сопротивления сдвигу скального грунта, дилатансия скальных массивов, шероховатость стенок скважины.

Key words: foundation in rocks, drilled shafts, piers, bearing capacity of pears, shear resistance of pears, bearing capacity of rocks, shear parameters of rocks, dilation of rock masses, roughness of shaft walls.