Особенности работы буронабивных свай в скальных грунтах средней крепости

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ В СКАЛЬНЫХ ГРУНТАХ СРЕДНЕЙ КРЕПОСТИ

DRILLED SHAFTS IN ROCKS OF MEDIUM STRENGTH

М.Г. Зерцалов, Д.В. Устинов, M.B. Никишкин

МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР

В статье приведены результаты численных исследований поведения буронабив-ных свай в скальных массивах средней крепости (RQD=50-75%). Исследования показывают, что при расчёте несущей способности и осадки свай необходимо учитывать ряд механических и геометрических параметров, оказывающих определяющее влияние на их статическую работу.

In the paper the results of the numerical simulations of the behavior of piers in rock masses of middle strength (RQD=50-75%) are presented. The results demonstrate that epy bearing capacity of piers and settlements are considerably depend on the number of mechanical and geometrical parameters.

Активное строительство на территории Москвы высотных зданий всё чаще ставит перед проектировщиками вопрос о необходимости передачи на грунты основания нагрузок значительно превышающих их расчётное сопротивление. В таких случаях нередко используются свайные фундаменты, в том числе опирающиеся на скальные грунты. Так, например, при проектировании комплекса Москва-Сити, в качестве фундаментов 72-х этажного здания высотой 380 м предполагается использование буро-инъекционных свай диаметром 1,5 м, заделанных в мячковские и подольские известняки, залегающие на глубине около 40 - 42 м от дневной поверхности. При этом расчётная нагрузка на сваю составляет порядка 30 МИ. Для других зданий, входящих в комплекс Москва-Сити, нагрузка на подобные сваи достигает 60 МИ.

В настоящее время основным нормативным документом, определяющим расчёт свай, опирающихся на скальные грунты, является СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» [1], в которых несущая способность сваи определяется с помощью формулы:

Fd=7cRA

где yc - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый yc = 1, A - площадь опирания на грунт сваи м2, R - расчетное сопротивление грунта R под нижним концом сваи-стойки, кПа

Я=^+1'5>

где Rc,n - нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие скального грунта в водонасыщенном состоянии, кПа (тс/м2 ), yg - коэффициент надежности по грунту, принимаемый yg=1,4, ld - расчетная глубина заделки набивной и буровой

свай и сваи оболочки в скальный грунт, м, /- наружный диаметр заделанной в скальный грунт части набивной и буровой свай и сваи-оболочки

В соответствии с формулой (2) несущая способность сваи определяется прочностью скального грунта на одноосное сжатие под её нижним концом и диаметром. В случае заглубления сваи в грунт, при расчёте её несущей способности, вводится коэффициент, принимающий во внимание глубину заделки и, таким образом, учитывающий сопротивление по боковой поверхности сваи.

В действительности же, прочность скальных массивов, определяемая степенью их трещиноватости, шириной раскрытия трещин и рядом других факторов, всегда будет меньше прочности скального грунта на одноосное сжатие, т.е. формула (2) всегда будет давать завышенные результаты. Кроме того, в строительной практике нередко возникают ситуации, когда дно скважины не удаётся очистить от шлама и несущая способность сваи определяется, в основном, сопротивлением по её боковой способности. В этих случаях свая работает, как «висячая» и формула (2) применяться не может.

Поведение буронабивных свай, заглубленных в скальные породы, изучалось многими зарубежными исследователями, как в лабораторных, так и в полевых условиях. Кроме того, имеется ряд аналитических исследований [2], выполненных на базе метода конечных элементов.

Анализ указанных публикаций показывает, что у свай, заделанных в скальный массив, большая часть приложенной нагрузки, как правило, воспринимается не за счёт сопротивления скального грунта под нижним концом сваи, а за счёт сопротивления сдвигу по боковой поверхности её заделки. Также из результатов этих исследований следует, что сопротивления сваи по боковой поверхности в значительной степени зависит от шероховатости стенок скважины. Авторы [3] показали, что нанесение искусственной, более крупной, шероховатости уменьшает осадку сваи в 1,6 - 2,0 раза по сравнению с естественной шероховатостью, образующейся при бурении скважины.

В задачу исследований, результаты которых представлены в предлагаемой статье, входило выявление основных факторов, влияющих на особенности поведения свай в скальных грунтах. Путём численного моделирования изучалась работа двух буронабивных свай (длинной и короткой) в скальных грунтах средней крепости при двух значениях показателя качества породного массива: RQD=45% и RQD=75%. Расчёты выполнялись с использованием упруго-пластической модели работы бетона сваи, скального массива и контакта сваи со скальным грунтом. На рис.1 показана расчётная схема, представляющая собой трёхмерную конечно-элементную сетку.

4

Рис.1. Расчетная схема испытаний

Исследовались сваи диаметром 2,0м и длиной 5м и 30м. В первой серии расчётов испытывались сваи, несущая способность которых обеспечивалась только сопротивлением по боковой поверхности («висячие» сваи). Во второй серии опытов - сваи, нагрузка на которые воспринималась, как грунтом под нижним концом сваи, так и за счёт сопротивления по их боковой поверхности. Поскольку с уменьшением показателя качества RQD увеличивается трещиноватость скального массива, а, следовательно, и его деформируемость, расчёты выполнялись для трёх значений отношения модуля упругости бетона к модулю деформации скального массива ЕБ / Еск = 1,5; 5,0; 20,0..

В расчётах также воспроизводилась шероховатость стенок скважины. Численные опыты проводились для двух значений угла наклона поверхности выступа шероховатости: 1=5° и.45° Прочностные свойства скального массива, сваи и контакта между ними в расчётах определялись в соответствие с законом Кулона. Для этого, в каждой рассматриваемой задаче, использовались соответствующие параметры сдвига ф и с. Значение нагрузки на сваю увеличивалась ступенями, при этом фиксировалась нагрузка, соответствующая началу разрушения контакта свая - скальный массив. В качестве предельных нагрузок фиксировались нагрузки, приводящие к полному разрушению контакта, либо соответствующие началу разрушения сваи или скального массива.

Исследования позволили отметить следующее.

Первая серия расчётов. В первой серии расчётов исследовались сваи, несущая способность которых определяется лишь сопротивлением по их боковой поверхности вдоль контакта со скальным массивом («висячие сваи»).

Результаты расчётов короткой сваи, имеющей длину 5м, представлены на рисунках 2 и 3 в виде графиков зависимости осадки сваи от приложенной к ней нагрузки.

Анализ кривых на графиках показывает, что работа коротких свай до начала раз-

рушения контакта характеризуется линейной зависимостью. При этом наибольшее влияние на их работу оказывает фактор ЕБ / Еск . Возрастание значения фактора с 1,5 до 20 раз увеличивает осадку сваи на 21%.

Из анализа результатов также следует, что, поскольку вся нагрузка воспринимается сопротивлением по боковой поверхности сваи, разрушение контакта свая - скальный массив происходит тогда, когда нагрузка превысит предельное сопротивление контакта сдвигу. В случае малой шероховатости стенок скважины (г = 5°), при достижении приложенной нагрузкой величины, превышающей сопротивление сваи сдвигу по боковой поверхности, контакт разрушается по всей длине практически мгновенно. В случае большой шероховатости (г = 45° ) разрушение контакта происходит не сразу и требует незначительного увеличения нагрузки. В соответствие с этим, на графиках (рис. 2 и 3) можно видеть небольшие нелинейные участки, соответствующие началу и полному разрушению контакта. Предельная нагрузка на сваю во всех опытах различается незначительно и в среднем составляет 8,2 МН.

Увеличение длины сваи до 30м существенно изменяет характер её работы (рис. 4 и 5). В 2,5 - 3,0 раза увеличивается нагрузка на сваю, при которой начинается разрушение контакта. При этом во всех опытах контакт разрушается постепенно. Длина разрушения контакта зависит от показателя качества скального массива (RQD) и степени шероховатости стенок скважины. В слабо трещиноватом скальном массиве (RQD=75%) и значительной шероховатости (г = 45° ) при разрушении контакта на 50 - 60% (рис.4) нагрузка на сваю достигает значения, при котором начинается разрушения бетона, и это значение рассматривается как значение максимальной нагрузки на сваю.

6; i 5" 6; i—45"

Рис. 4 . Испытания висячих свай длиной 30м. с одинаковым параметром RQD = 75%

При сильной трещиноватости (RQD=45%) и шероховатости (i = 5° ) контакт разрушается на 80 - 90%, после чего также начинает разрушаться свая (рис.5). Возрастание деформируемости скального массива приводит к возрастанию осадок сваи. При изменении отношения ЕБ / Еск от 1,5 до 20 значения осадок увеличиваются в 1,8 раза с 10 до 18 мм (рис.4 и 5).

0,005 О

-0,005 -0,01

¿

<л -0,015

п X

f -0,02 О

-0,025 -0,03 -0,035 -0,04

Нагрузка Q МН.

Разрушение

материала сваи

М-4У

Нагрузка Q МН.

Рис. 5. Испытания висячих свай длиной 30м. с одинаковым параметром И^Б = 45%

Эти же графики показывают, что увеличение степени шероховатости стенки скважины приводит к возрастанию несущей способности сваи с 1,5 до 1.7 раз.

Процесс потери несущей способности, как для коротких, так и для длинных «висячих» свай, развивается одинаково и зависит от условий на контакте сваи со скальным массивом и его длины. До начала разрушения контакта свая - массив зависимость осадка сваи - нагрузка на всех графиках, как указывалось выше, линейная, однако, в процессе разрушения контакта зависимость Q = / (Б) характеризуется существенной нелинейностью.

У коротких свай эпюра касательных напряжений вдоль боковой поверхности является практически равномерной, поэтому процесс разрушения контакта начинается при достижении касательными напряжениями предельных значений и протекает очень быстро. Максимальная нагрузка на сваю в этом случае определяется началом разрушения контакта.

У длинных свай распределение касательных напряжений вдоль боковой поверхности характеризуется значительной неравномерностью. Их значения в пределах концевого участка в 2 - 3 раза меньше значений на участке у оголовка сваи. Разрушение контакта при увеличении нагрузки на сваю происходит по мере того, как максимальные касательные напряжения начинают превосходить предельное сопротивление сдвигу по боковой поверхности. Чем длиннее свая, тем дольше продолжается этот процесс. Как правило, в этом случае, напряжения в длинной свае достигают значений предела прочности бетона на сжатие гораздо раньше, чем разрушиться контакт и поэтому максимальная нагрузка на сваю определяется началом процесса её разрушения. В то же время графики на рис.4 и 5 показывают, что, как и ожидалось, при высоком модуле деформации скального массива и значительной шероховатости стенок скважины несущая способность сваи значительно увеличивается.

Вторая серия расчётов. Во второй серии расчётов исследовались сваи, несущая способность которых определялась, как сопротивлением по боковой поверхности сваи, так и сопротивлением грунта под её нижним концом.

Выполненные расчёты свидетельствуют о том, что в этом случае работа длинных и коротких свай, так же, как и в первой серии расчётов, в значительной мере определяется шероховатостью стенки скважины. При этом изменение степени шероховатости влияет на осадку свай в гораздо большей степени, чем величина модуля деформации скального массива под нижним концом сваи.

Результаты исследований коротких свай, графики которых представлены на рис.6

и 7, показывают, что уменьшение значения угла г с 45° / до 5° приводит к увеличению максимальных деформаций свай в 1,9 - 2,1 раза (с 22 до 50мм), как в слаботрещиноватом скальном массиве (RQD=75%), так и в массиве, значительно ослабленном трещинами (RQD=45%).

В то же время в отличие от коротких «висячих» свай изменение величины модуля деформации массива существенно влияет на несущую способность коротких свай, опирающихся на скальный массив,. Увеличение отношения ЕБ /Еск с 1,5 до 20

уменьшает несущую способность сваи в 1,4 раза при г = 45°, и в 2,2 раза при г = 5° (рис.6,7).

Рис. 6. Испытания комбинированных свай длиной 5м. с одинаковым параметром И^Б = 75%

Рис. 7. Испытания комбинированных свай длиной 5 м с одинаковым параметром И^Б = 45%

Предельное состояние при поэтапной нагрузке коротких свай, у которых несущая способность определяется, как сопротивлением по боковой поверхности, так и сопротивлением скального грунта под сваей, отличается от предельного состояния, наблюдаемого при испытании коротких «висячих» свай. Выполненные расчёты показывают, что у сваи, опирающейся на основание, прикладываемая к свае нагрузка распределяется следующим образом. Меньшая часть нагрузки, передаётся на сваю, большая же часть нагрузки приходится на преодоление сопротивления по её боковой поверхности. Эпюра распределения касательных напряжений по длине сваи является равномерной. В соответствие с этим, при достижении касательными напряжениями предельных значений, потеря несущей способности сваи начинается с разрушения по всей длине контакта свая - скальный массив. После этого предельное состояние в работе сваи определится, либо прочностью бетона на сжатие, либо несущей способностью скального массива. В слаботрешиноватом скальном массиве (RQD=75%), имеющем высокие прочностные свойства, и при значительной степени шероховатости стенок скважины, предельное состояние в работе сваи наступает после того, как развивающиеся в ней напряжения превысят прочность бетона на сжатие. Напротив, в трещиноватом массиве со средним показателем его качества (RQD=45%) и незначительной шероховатостью стенок скважины несущая способность сваи определяется прочностью скального массива под её концом. Нагрузка на сваю увеличивается, до тех пор, пока, передающееся от сваи на основание давление, не превысит расчётного сопротивления скального массива (рис. 6 и 7).

Увеличение длины меняет характер работы, опирающейся на скальный массив, сваи. Хотя, как и в предыдущих случаях, на её поведение оказывает влияние шероховатость стенки скважины (i) и отношение между модулем упругости и модулем деформации массива ЕБ / Еск, однако, влияние этих факторов на работу сваи не так

значительно, как в предыдущих случаях (рис.8,9). Так осадки длинной сваи при ухудшении механических характеристик скального массива увеличиваются всего в 1,7 раза. В то же время процессы потери несущей способности короткой и длинной, опирающихся на скальный массив свай, протекают различно.

Анализ напряжённо-деформированного состояния совместной работы длинной сваи и массива показывает, что касательные напряжения вдоль сваи, в отличие от расчётов первой серии, распределяются очень неравномерно. Их максимум наблюдается на участке, прилегающем к её оголовку, но постепенно, на глубине, равной = 2/3 сваи, касательные напряжения уменьшаются на порядок. В то же время прочность скального основания под длинной сваей увеличивается по данным [4], за счёт веса вышележащего породного массива, почти на 30% и становится выше прочности бетона. Аналогично предыдущему случаю, потеря несущей способности длинной сваи начинается с разрушения контакта вдоль боковой поверхности. Но теперь с увеличением нагрузки на сваю контакт разрушается постепенно до тех пор, пока нормальные напряжения в бетоне не достигнут его прочности на сжатие. Во всех расчётных случаях причиной потери несущей способности всех длинных свай является их разрушение (рис. 8,9).

Рис. 8. Испытания комбинированных свай длиной 30м. с одинаковым параметром И^Б = 75%

Рис. 9. Испытания комбинированных свай длиной 30м. с одинаковым параметром И^Б = 45%

Выполненные исследования работы буронабивных свай в скальных грунтах позволили сделать следующие выводы.

1. Несущая способность буронабивных свай и их осадки в скальных массивах в значительной степени зависят от условий взаимодействия сваи с массивом. Так характер работы сваи, несущая способность которой определяется только сопротивлением по боковой поверхности, существенно отличается, от характера работы сваи, несущая способность которой увеличивается за счёт сопротивления скального массива под её концом.

3. Результаты исследований позволили определить факторы, оказывающие определяющее влияние на работу буронабивных свай в скальных грунтах. К ним относятся: характер шероховатости стенок скважины, отношение длины скважины к её диаметру и отношение модуля упругости материала сваи к модулю деформации скального массива. Игнорирование указанных факторов может привести к значительным ошибкам, как при определении осадок буронабивных свай, так и при определении их несущей способности.

5. Методика расчёта работы свай в скальных грунтах, предлагаемая в СНиП 2.02.03-85 несовершенна, поскольку предлагает рассматривать все сваи, как сваи -стойки и не учитывает сопротивления по их боковой поверхности. Кроме того, методика не позволяет определять осадки свай и даёт заведомо завышенные результаты при подсчёте их несущей способности. Учитывая это, целесообразно продолжить исследования взаимодействия свай со скальным грунтом, уделяя особое внимание изучению закономерностей, определяющих деформирование и предельное состояние системы свая - скальный массив.

6. Принимая во внимание, всё возрастающий объём строительства высотных зданий, передающих через сваи значительную нагрузку на скальные породы, следует также разрабатывать методики расчёта, более полно учитывающие всё многообразие факторов, влияющих на работу свайных фундаментов, сооружаемых в скальных грунтах.

Литература.

1. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»

2. Willie D.C. Foundations on Rock. - London & New York, 1999

3. Horvath R.G., Kenney T.C., Kozicki P. Methods of improving the performance of drilled piers in weak rock. - Can. Geotech. J.,№20, 1983.

4. Lianyang Zhang Drilled Shafts In Rock, Analysis and Design. Taylor & Francis, 2007

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.