Разработка методики определения несущей способности сваи с уширениями по данным статического зондирования

Validation Issues in Databases, Knowledge-Based Systems and Ontologies. - N. Y., John Wiley & Sons Inc., 2001, 16(3), pp. 285-306.

5. Программа для автоматизированной верификации ограничений целостности баз данных / М. Л. Глухарев, А. П. Косаренко, А. Д. Хомоненко // Программные продукты и системы. - 2011. - № 1 (93). - С. 91-95.

6. An axiomatic basis for computer programming / C. A. R. Hoare // Communications of the ACM, 12(10), pp. 576-585, October 1969.

7. Assigning meaning to programs / R. W. Floyd, J. T. Schwartz // Proc. of Symposium in Applied Mathematics, ed. Mathematical Aspects of Computer Science, 19:19-32, 1967.

8. Дисциплина программирования / Э. Дейкстра. - М. : Мир, 1978. - 275 с.

9. Применение формальных описателей для логико-алгебраического моделирования требований целостности информации в реляционных базах данных / М. Л. Глухарев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2010. - Вып. 4 (25). - С. 78-88.

УДК 624.15

А. В. Г орбушин

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ С УШИРЕНИЯМИ ПО ДАННЫМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Представлены результаты эксперимента с модельными сваями, имеющими одно и два уширения. Предлагается методика расчета буронабивных свай с одним и двумя уширениями на основе данных сопротивления грунта под конусом зонда по данным статического зондирования.

буронабивные сваи с уширениями, статическое зондирование.

Введение

Серьезной проблемой при геотехническом строительстве в центральной части Санкт-Петербурга является значительная мощность слабых грунтов. Буроинъекционные и буронабивные сваи, изготовленные в таких грунтах, имеют, как правило, большую длину для обеспечения необходимой несущей способности (НС) сваи по грунту. Решение задачи обеспечения НС свай при уменьшении их длины возможно по следующим направлениям:

1. Увеличение площади опирания и боковой поверхности свай (устройство свай с уширениями, пирамидальных свай и т. д.).

2. Увеличение несущих свойств примыкающего к телу сваи грунта (сваи по технологии «Титан», РИТ; сваи, образованные в результате принудительного отжатия (вытеснения) грунта и буроинъекционные [1]).

Увеличение НС сваи по направлению 1 является наименее затратным по сравнению с направлением 2, так как для него достаточно легких буровых станков и уже существующего и распространенного оборудования.

К разработкам по способу 1 следует отнести:

сваи с раскрывающимся наконечником, предложенные М. С. Грутманом;

сваи с опорным уширением вверху (Б. И. Далматов);

сваи с шайбой (Ю. Н. Платонов, И. В. Ципранович);

сваи с многоместными уширениями (И. И. Косаренко, А. Н. Тетиор [2]).

Среди этих разработок наибольший интерес представляют сваи с многоместными уширениями. Суть технологии заключается в том, что в процессе изготовления сваи механическими уширителями создаются одно или два уширения. Опыт изготовления таких свай показал, что НС свай с одним уширением в 2,0-2,5 раза, а с двумя - в 3,0-3,5 раза выше, чем у свай, выполненных без уширения [2].

За рубежом и в России проводились исследования эффекта свай с многоместными уширениями. Так, в США применяются анкеры с несколькими уширениями по длине, которые называются «Belled anchors» [3]. Такие анкеры применяются в «жестких» глинистых грунтах (stiff clays). Несущую способность этих анкеров рассчитывают, как для анкера диаметром, равным диаметру уширений. В Японии применяются забивные железобетонные сваи с несколькими уширениями, которые хорошо сопротивляются разжижению песчаного грунта [4]. С. Ябуучи и Х. Хираяма проводили ряд модельных экспериментов со сваями с разной формой боковой поверхности и доказали, что под уширениями сваи создается такое же напряженное состояние грунта, как под пятой сваи [4]. В России исследованиями со сваями с несколькими уширениями занимались И. И. Косаренко, А. Н. Тетиор, которые предложили методику расчета сваи с разными расстояниями между уширениями [2]. При расстоянии между уширениями большим, чем два диаметра уширения, учитывается НС грунта под каждым уширением, при меньшем расстоянии между уширениями учитывается только НС острия сваи, а несущая способность по боковой поверхности рассчитывается, как для цилиндрической поверхности диаметром, равным диаметру уширений.

Автором статьи в 2005 г. были проведены опытные работы по определению эффективности применения свай с многоуровневыми уширениями на примере конкретной строительной площадки по адресу: СПб., Орловская ул., 3 [5]. Было доказано, что при увеличении расстояния между уширениями происходит увеличение НС сваи по грунту.

Следует отметить, что все разработанные методики расчета НС с несколькими уширениями основаны на физико-механических характеристиках грунта, получаемых при лабораторных исследованиях. Как в России, так и за рубежом существует несколько методик расчета НС

свай, основанных на данных, получаемых непосредственно со строительных площадок.

Один из самых распространенных методов получения данных по грунтам непосредственно на строительной площадке является метод пенетрации, который в современном развитии представляет собой статическое зондирование.

В мировом геотехнической практике широко известен расчет НС сваи по методике, предложенной Й. Шмертманном. Она основана на опытах с полномасштабными сваями, выполненными в 1975 г. (Ноттингейм). На данной методике основаны европейские нормы по расчету НС свай (Eurocode 7). Несущая способность грунта под острием сваи определяется как среднеарифметическое значение сопротивления грунта под наконечником зонда в пределах восьми диаметров выше острия сваи и четырех диаметров ниже.

Росссийские нормативные документы по расчету НС свай [1], по данным статического зондирования, предлагают разные методики определения НС грунта под острием сваи. Для забивных свай НС острия определяется на основе среднего значения сопротивления грунта под конусом зонда, полученного по результатам опытной работы на участке, расположенном в пределах одного диаметра острия выше и четырех диаметров ниже отметки острия сваи. Для буровых свай расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи зависит от среднего сопротивления конуса зонда на участке, расположенном в пределах одного диаметра выше и до двух диаметров ниже подошвы сваи.

Таким образом, разные методики по расчету НС сваи, по данным статического зондирования, предлагают разные подходы к определению зоны влияния грунта на НС острия сваи.

Для дальнейшего применения свай с многоместными уширениями необходима методика расчета НС сваи по данным статического зондирования.

1 Исследование поведения модельных свай с одним и двумя уширениями

Был проведен эксперимент на стенде (рис. 1). В лоток 1 с послойным трамбованием укладывался песок и устанавливалась свая 2. Перед испытаниями система нагружения 3 взвешивалась. Во время испытаний на систему нагружения 3 укладывался тарированный груз и после стабилизации осадки сваи снимались показания перемещения сваи индикатором часового типа 4.

Для изучения влияния второго уширения по длине сваи на стенде испытывались сваи двух типов (рис. 2). Сваи изготавливались из арматурного стержня, выточенного согласно рис. 2, и съемных уширений, выточенных из стальной трубы.

Рис. 1. Конструкция стенда:

1 - лоток; 2 - свая; 3 - система нагружения; 4 - индикатор часового типа

ип

ип

у**

010

CD

СГ'

010

CTi

си

V

г

020

/-

У

020

/-

У

020

Рис. 2. Типы свай

Для каждого типа свай проводилось по четыре эксперимента, во время которых фиксировались величина нагрузки, прикладываемой к оголовку сваи, и его перемещение. После каждого эксперимента измерялись плотность грунта и его влажность с интервалом 10 см по глубине, а также сопротивление грунта вдавливанию конуса пенетрометра 0 16,1 мм. На рис. 3 представлен усредненный график нагрузки-осадки для проведенного эксперимента.

По результатам испытаний модельных свай для сваи типа 1 максимальная нагрузка при условной потери несущей способности составляла 0,69 кН, а для сваи типа 2 - 0,78 кН (рис. 3).

-5

Грунт лотка - песок крупный, средняя плотность 15,4 кН/м , влажность 5 % по [6]. На рис. 4 представлен график сопротивления грунта под наконечником пенетрометра по глубине с усредненными результатами.

1 2 3 qc, МПа

Рис. 4. Сопротивление конуса по глубине

2 Определение несущей способности свай расчетным методом

2.1 Расчет несущей способности свай с несколькими уширениями

Для определения НС свай по грунту с несколькими уширениями предлагается методика с использованием данных статического зондирования. Работа по данной методике состоит из двух этапов:

1. Сравнение расстояния между уширениями с диаметром уширений. На основании полученных данных выбирается расчетная схема.

2. Определение расчетного сопротивления грунта под острием, под уширениями и по боковой поверхности сваи по данным статического зондирования (сопротивление грунта определяется по методике Й. Шмертманна [7]).

Рис. 5. Расчетная модель

За расчетную модель (рис. 5) принимаем модель, предложенную И. И. Косаренко и А. Н. Тетиора [2], с учетом того, что расстояние между центрами уширений более двух диаметров уширений, а несущая способность сваи с двумя уширениями может быть определена по формуле

Р - km R^F2+$RlFx+uYumff*li ,

где к - коэффициент однородности грунта, принимаемый 0,7;

R и - нормативное

сопротивление грунта соответственно под верхним и нижним уширениями;

F1 и F2 - горизонтальные проекции площади уширений свай;

m - коэффициент условий работы, принимается 1;

в - понижающий коэффициент,

учитывающий взаимное влияние

уширений (в = 0,8), при расстоянии между уширениями больше двух с половиной диаметров уширений в, может быть принят равным 1,0;

и - периметр ствола сваи;

mf - коэффициент, зависящий от способа образования скважины и ствола;

fн - нормативное сопротивление z-го слоя грунта по боковой

поверхности ствола сваи.

Сопротивление грунта под острием, под уширениями и по боковой поверхности сваи определяется по методике Й. Шмертманна [7], которая основывается на данных сопротивления грунта под наконечником зонда при статическом зондировании:

R = aP

Q-c,eq 2

fi=<*a-qc,

где - коэффициент острия сваи, имеет значение от 0,4 до 0,55 и зависит

от типа грунта и вида сваи; в сыпучих грунтах коэффициент зависит от

OCR;

qc - среднее значение сопротивления грунта, кПа, под наконечником зонда, полученное из опыта;

qcl - среднеарифметическое значение qc на участке, равное от 0,7 D до 4 D ниже острия сваи, где D - диаметр уширения сваи;

qc2 - среднегеометрическое значение минимальных qc на участке от 8 D выше острия сваи;

q - максимальный отпор грунта на единицу площади, который имеет ограничение в 15 МПа.

Сравним методику Шмертманна с методикой определения сопротивления грунта под острием сваи и по боковой поверхности, согласно российским нормативным документам [1]:

где Rs - предельное сопротивление грунта под нижним концом сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке;

Pi - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи; qs - среднее значение сопротивления грунта, кПа, под наконечником зонда, полученное из опыта, на участке, расположенном в пределах одного диаметра d выше и четырех диаметров ниже отметки острия проектируемой сваи (где d - диаметр круглого или сторона квадратного либо большая сторона прямоугольного сечения сваи, м).

Среднее значение предельного сопротивления грунта на боковой поверхности сваи по данным зондирования в рассматриваемой точке определяется по [1, табл. 7.16] в зависимости от сопротивления зонда qc (МПа) на середине расчетного участка.

При установке модельных свай в лотке и засыпке их грунтом создавалось равномерное уплотнение песка по всей поверхности, таким образом, снижения характеристик грунта вокруг модельных свай не было. Для дальнейших расчетов принимаем коэффициенты, относящиеся к сваям, выполненным без выемки грунта.

2.2 Расчет несущей способности сваи с одним уширением

Расчет НС сваи с применением методики предложенной Шмертманна:

F= 3,142-10^ м2; ар = 0,5; qcm = 2,1 МПа.

Таким образом, нормативное сопротивление грунта под уширением:

R = 0,5  2,1 = 1,05 Мпа.

Расчет НС боковой поверхности:

и = 0,031416 м; as = 0,014;

принимаем mf = 1;

u-Yumf'f*'li= °,135 кН-

Вычисляем несущую способность сваи по формуле (1):

Р = М- 1050-3,142-10“4 +0,135 кН =0,465 кН.

Расчет НС сваи по нормативным документам [1]:

F = 3Д42П0-4 м2; в = 0,3; qs = 2,279 МПа;

Rs = 0,684 МПа.

Расчет НС боковой поверхности:

м = 0,031416 м; u-^fi-ht = 0,17 кН.

Вычисляем НС сваи по формуле (1):

Р = 1-1- 684• 3,142* 10-4 +0,17кН =0,385кН.

Сопоставляем полученные значения с изображённым на рис. 2. Вычисленная по предложенной методике нагрузка на 33 % меньше нагрузки, полученной при испытаниях, а вычисленная по нормативным документам соответственно меньше на 44 %.

2.3 Расчет сваи с двумя уширениями

Расчет НС сваи с применением методики Шмертманна:

F, = 3,142-Ю-4 м2; а, = 0,5; qcm\ = 2,1 МПа.

Таким образом, нормативное сопротивление грунта под первым уширением:

=0,5-2,1 = 1,05 МПа.

Расчет НС второго уширения:

F2= 2,356-10^ м2; ар = 0,5; qCjeqX = 1,21 МПа.

Таким образом, нормативное сопротивление грунта под первым уширением:

i^H =0,5-1,21 = 0,605 МПа.

Расчет НС боковой поверхности:

и = 0,031416 м; as = 0,014;

принимаем mf = 1;

=°,086кН.

Вычисляем НС сваи по формуле (1):

Р = 1-1- 1050 • 3,142-10”4 + 605 • 2,356-10-4 +0,086кН =0,56 кН.

Расчет НС сваи по нормативным документам [1]:

F = 3Д42П0-4 м2; Pi = 0,3; qs = 2,279 МПа.

Таким образом, нормативное сопротивление грунта под первым уширением: Rs1 = 0,684 МПа.

Расчет НС второго уширения:

F2 = 2,356-Ю-4 м2; р1 = 0,33; qs = 1,535 МПа.

Таким образом, нормативное сопротивление грунта под вторым уширением: Rs2 = 0,506 МПа.

Расчет НС боковой поверхности:

и = 0,031416 м; u-Y.fr'h, =0,14кН.

Вычисляем НС сваи по формуле (1):

Р = 1-1- 684-3,142-10"4 +506-2,356ПО"4+0,14кН =0,47кН.

Сопоставляем полученные значения с изображённым на рис. 2. Вычисленная нагрузка по предложенной методике на 28 % меньше нагрузки, полученной при испытаниях, а вычисленная по нормативным документам соответственно меньше на 39 %.

Заключение

По результатам исследования и анализа расчета НС модельных свай можно сделать выводы:

1. Свая с уширением, расположенным на расстоянии пяти диаметров уширения от нижнего уширения, имеет большую несущую способность по грунту, чем свая только с уширением острия.

2. Предложенная методика расчета сваи с несколькими уширениями на основании данных статического зондирования позволяет рассчитать несущую способность сваи по грунту с достаточной точностью для инженерного применения.

Библиографический список

1. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Свод правил по проектированию и строительству. - Введ. 2004-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 100 с.

2. Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала и Тюменской области / А. Н. Тетиор. - Свердловск : Средне-Уральское книжное издательство, 1971. - 91 с.

3. Foundation design and construction. Seventh edition / M. J. Tomlinson. - England. -2001. - P. 583. - ISBN 0130-31180-4.

4. Bearing mechanisms of nodal piles in sand / S. Yabuuchi & H. Hirayama // Deep Foundation on Bored and Auger Piles. - Balkema, Rotterdam, 1993. - P. 120-122. - ISBN 9054103132.

5. Возможности использования электроразрядной технологии в геотехническом строительстве на толще слабых грунтов / А. В. Горбушин, В. М. Рябинов // Основания и фундаменты; Механика грунтов. - 2008. - № 6. - С. 20-22.

6. ГОСТ 25100-95. Грунты: классификация. Межгосударственный стандарт. -Введ. 1996-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1995. - 24 с.

7. Guidelines for cone test, performance and design: Report FHWA-TS-78209 / Federal Highway Administration. J. H. Schmertmann. - Washington, 1978. - P. 145.