Full Text

ВведениеНадежная работа свайных фундаментов линейно-протяженных объектов в районах Крайнего Севера затруднена на территориях, представленных локально оттаявшими и от-таивающими многолетнемерзлыми грунтами [1–4]. Для обеспечения требуемой несущей способности свайных фундаментов и температурного режима основания были локально использованы сезонно действующие охлаждающие устройства. Для оценки безопасности эксплуатации фундаментов актуальной задачей является определение несущей способно-сти и осадки сваи в заданных инженерно геокриологических условиях.При расчёте свайных фундаментов несущую способность сваи определяют по мето-дике свода правил СП 24.13330.2021, или по СП 25.13330.2020, или по данным статиче-ского зондирования, или полевыми испытаниями согласно нормативной документации. Однако результаты расчётов по определению несущей способности и осадки сваи по су-ществующему нормативному методу разнятся с данными натурных полевых испытаний. Применение нормативной методики целесообразно в стандартных инженерно-геологических условиях. В нормативной литературе не предлагается методики расчета несущей способности и осадки одиночной сваи в термостабилизируемом основании с ле-догрунтовым уширением. В результате выполненных расчетов и сопоставлений, по мне-нию авторов [4–7], фактическая несущая способность нередко превосходит величину, рас-считанную по нормативным документам. Основными факторами расхождения являются недостаток экспериментальных исследований и отсутствие актуализированной методики расчёта, учитывающей ряд факторов: механические свойства грунтов в формируемом ле-догрунтовом массиве и на контакте «талый – мерзлый грунт», напряженно-деформированное состояние грунтового массива, гидрогеологические условия и т.п.Анализ научной литературы позволил отметить ряд авторов, предлагающих разные подходы и методики расчета по определению несущей способности и осадки одиночной сваи.Огромный вклад в развитие свайного фундаментостроения внес А.А. Бартоломей. Под его руководством проведены экспериментальные и теоретические исследования взаимо-действия свай и свайных фундаментов с окружающим грунтом; разработаны методы про-гноза осадок и определения напряжений в активной зоне центрально и внецентренно нагруженных свайных фундаментов; проведена оценка несущей способности свайных фундаментов, исходя из предельно допустимых осадок зданий и сооружений и условий их нормальной эксплуатации, проведена оценка устойчивости свайных фундаментов на склонах; разработаны прогрессивные конструкции свай [8].В работе Q.-J. Liu, J.-B. Wang, J.-J. Ma, W.-H. Gao предложена модель, позволяющая определять осадку сваи в слоистом грунтовом основании, тем самым учтена неоднород-ность грунтового основания [9].В работе Y. Li, W. Li предложена аналитическая методика оценки несущей способно-сти и осадки сваи конической формы [10].G. Yu, W. Gong, G. Dai, Y. Luan предложили методику определения лобовой несущей способности в слабых грунтовых основаниях [11].Z.-Q. Xia, J.-F. Zou предложили находить осадку сваи и свайного фундамента анали-тическим методом, в котором перемещение сваи описывалось кусочно-непрерывной функцией. Сила трения по боковой поверхности нелинейно связана с перемещением. Проведено сравнение результатов натурных испытаний с данными, полученными в ре-зультате численного расчёта [12].M. Mert, M.T. Ozkan определили осадку вертикально нагруженных свай гиперболиче-ским методом. В основу данного метода были заложены данные экспериментальных ис-следований по определению осадки свай различных диаметров [13].Д.В. Прокопенко определил несущую способность винтовой металлической сваи при приложении равномерно распределенной нагрузки с учетом процесса уплотнения окру-жающих слоев грунта [14].Z. Xu, Z. Guo, используя технологию «прозрачного грунта», проводили лабораторные эксперименты на моделях свай. Авторы получили характерные зависимости «осадка – нагрузка», диаграммы перемещений грунта вокруг сваи [15].E. Nasrollahzadeh, N. Hataf численно и экспериментально определили несущую спо-собность сваи и свайной группы конической и цилиндрической формы в песчаном грун-товом основании [16].Н.Г. Каженцев, О.Ю. Ещенко провели численное моделирование в программном про-дукте Midas функции осадки конических и цилиндрических буроинъекционых свай в за-висимости от прочностных свойств грунтового основания [17].В.С. Глухов, О.В. Хрянина, М.В. Глухова предложили усовершенствованный метод расчета несущей способности свай в пробитых скважинах с уширением. Данный способ отражает реальные условия взаимодействия свай в пробитых скважинах с уширением и грунтового основания [18].В.С. Глухов, М.В. Панкина предложили модернизированную методику определения осадки свай в пробитых скважинах. Авторы статьи ввели повышенный модуль деформа-ции слоя грунта, создаваемого в процессе формирования уширения. Авторы предложили учитывать нелинейное поведение основания при вычислении осадки [19].Таким образом, анализ существующих методик расчета несущей способности и осад-ки одиночной сваи показал, что в них не учтена особенность работы сваи с ледогрунто-вым массивом, формируемым за счет работы сезонно действующих охлаждающих устройств в оттаявшем многолетнемерзлом грунтовом основании.Целью исследования является разработка методики определения осадки одиночной сваи в термостабилизируемом основании, представленном оттаявшими многолетнемерз-лыми грунтами.Материалы и методыВ результате проведенных численных, маломасштабных и натурных экспериментов [20, 21] установлено, что при термостабилизации оттаявшего и оттаивающего многолет-немерзлого основания сезонно действующими охлаждающими устройствами вокруг тела одиночной сваи формируется ядро мерзлого грунта, которое увеличивает несущую спо-собность одиночной сваи за счет увеличения рабочей контактной поверхности сваи с грунтом. Конструктивная схема одиночной сваи с мерзлым ядром, построенная по резуль-татам проведенных экспериментов, представлена на рис. 1, а. Приняли в качестве допу-щения, что одиночная свая с мерзлым ядром представлена в виде цилиндра, погруженного в оттаявшее многолетнемерзлое основание. Замена формы эллипсоида мерзлого ядра на эквивалентный цилиндр проведена на основе равенства объемов двух фигур. На основе вышеописанного допущения построена расчетная схема сваи, представленная на рис. 1, b. a bРис. 1. Схемы сваи в термостабилизируемом основании: а – конструктивная; b – расчётная; h – высота цилиндра; d – диаметр цилиндра; K – глубина погружения сваи, T – расстояние от дневной поверхности грунта до нижней точки цилиндраFig. 1. Schemes of the pile in the thermostabilized base: a – constructive; b – design; h – height of the cylinder; d – diameter of the cylinder; K – depth of pile immersion, T – distance from the day surface of the ground to the bottom point of the cylinderПо методу Власова рассмотрена модель упругого основания, в которой cказано о ма-лости (на порядок) горизонтальных перемещений по сравнению с вертикальными. Верти-кальные перемещения частиц грунта представлены в виде произведения двух функций , предложено дифференциальное уравнение второго порядка с посто-янными коэффициентами [8]: (1) где общее решение, которого имеет вид: (2) Безразмерная нормированная функция задана, ее общий вид изображён на рис. 2, а, в частности можно принять линейной функцией , искомой величиной является W (x), м.В упругое основание в виде прямоугольной пластины толщиной погружена одиночная свая цилиндрической формы, загруженная нагрузкой F, МН (см. рис. 1, а), которую разложили по принципу симметрии на две F/2 (см. рис. 1, b). Нагрузку F/2 рас-пределили между боковой и лобовой поверхностями: (3) Взаимодействие сваи с грунтовым основанием определено касательными напряжени-ями по боковой поверхности сваи, которые распределены равномерно по боковой поверх-ности: (см. рис. 1, b) либо по линейному закону: (см. рис. 1, b). Знак «минус» указывает на направление действия поперечной силы. Трение по боковой поверхности выше уширения сваи не учитывается.К нижнему концу сваи приложена сила Fл (для полупространства – полосовая нагрузка, см. рис. 2, а), от действия которой полученное решение является фун-даментальным, и на его основе получено решение для нормальных напряжений , приложенных к площади условного фундамента (рис. 1, b, r – радиус цилиндра). a bРис. 2. Лобовое сопротивление на нижнем конце сваи: а – в виде сосредоточенной силы; b – в виде нормальных напряженийFig. 2. Frontal resistance at the bottom end of the pile: a – in the form of concentrated force; b – in the form of normal stressesРезультатыДля использования принципа возможных перемещений авторами статьи введены ра-боты внешних и внутренних сил.Работа внешних сил Sб взаимодействия сваи с грунтом на возможных перемещениях (4) (5) Индекс «1» соответствует равномерному распределению, а индекс «2» – линейному распределению (рис. 1, b).Работы внешних сил , приходящихся на пяту сваи, записаны с использованием общего решения (1). Постоянная C определена из равенства работ внешних и внутренних сил на возможных перемещениях в точке . Приведем выражение для работы внешней силы в виде полосовой нагрузки : (6) Работа внутренних сил, действующих на грани положительной полуплоскости OZY, равна: (7) Из равенства работ получили фундаментальное решение для перемещений под дей-ствием : (8) На основе этого выражения построили решение для распределенной нагрузки . В формуле (8) для постоянной ввели замену  тогда выражение для перемещений запишется: (9) Сдвиг по координате означает, что начало координат переносим в точку при-ложения силы.Суммируя перемещения (9) на отрезке , окончательная формула для верти-кальных перемещений грунта от нормальных напряжений, распределенных по лобовой поверхности, имеет вид: (10) В отличие от формулы (6) для точки работу пяты цилиндрической сваи от распределенной на отрезке нагрузки записали упрощенно: (11) Сопоставляя формулы (6) и (11) для работ, видим, что сомножитель от-личает действие распределенной нагрузки от полосовой В дальнейшем приведены все формулы для лобового сопротивления .Работу полной внешней силы, как сумму работ по боковой поверхности и пяте сваи, получили для равномерно распределенных касательных напряжений: (12) В случае треугольного распределения касательных напряжений по боковой поверхно-сти получили: (13) Приравняли работу внешней и работу внутренней сил в начале координат для определения C для двух вариантов распределения касательных напряжений: (14) Постоянные общего решения для двух вариантов распределения касательных напряжений имеют вид: (15) (16) Тогда вертикальные перемещения частиц грунта определены выражениями: (17) (18) Коэффициенты, вошедшие в формулы, представлены ниже: (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) Согласно требованиям второй группы предельных состояний по предельной осадке зададимся условием: (27) где – осадка сваи в натурных условиях; – предельная осадка сваи.Приведена формула для определения осадки для случая равномерного распределения касательных напряжений по боковой поверхности сваи и равномерно распределенной нагрузки на нижнем конце сваи: (28) Соотношение между несущей способностью по боковой поверхности и пяте сваи вве-ли через коэффициент : (29) где: (30) (31) (32) Формула для определения осадки сваи с учетом (31) и (32): (33) На рис. 3 представлено сравнение значений осадки сваи, полученной в результате проведения натурных статических испытаний и вычисленной по предложенной аналити-ческой методике, и согласно СП 25.13330.2020. Натурные испытания проводились на тер-ритории Ямало-ненецкого автономного округа (ЯНАО). Длина железобетонной сваи со-ставила l = 11 м, поперечное сечение 30×30 см. С поверхности до глубины 20 м залегает суглинок текучепластичный, для которого Е = 7,8 МПа, ν = 0,35. В таблице представлены результаты определения несущей способности сваи.Результаты определения несущей способностиResults of determination of bearing capacityМетод интерпретации результатов испытаний сваи Fu, кНПо результатам полевых статических испытаний 765По предложенной аналитической методике 578Расчетный метод определения по СП 25.13330.2020 765 Рис. 3. Графики зависимости осадки сваи S от нагрузки P на конец первого цикла зимнего периода – 1 мая (Fu – частное значение предельного сопротивления сваи)Fig. 3. Plots of pile settlement S versus load P at the end of the first winter cycle – May 1 (Fu is the partial value of the ultimate resistance of the pile)ВыводыПодводя итоги проведенных научных исследований, можно сделать следующие ос-новные выводы:1. На основе проведенных исследований предложена конструктивная и расчетная схемы сваи с увеличенной контактной рабочей поверхностью в термостабилизируемом основании, представленном оттаявшими и оттаивающими многолетнемерзлыми грунта-ми.2. Разработан аналитический метод расчёта осадки одиночной сваи в термостабили-зируемом основании, в которой получена аналитическая зависимость осадка – несущая способность. Разработанный метод может быть использован при оценке надежности си-стемы «основание – капитальное сооружение», а также для количественной оценки без-опасности возведения и эксплуатации свайных фундаментов на территориях распростра-нения локально оттаявших многолетнемерзлых грунтов.3. Предложенная аналитическая методика верифицируется и совершенствуется по данным натурных полевых исследований, проводимых на экспериментальной площадке в ЯНАО.

About the authors

E. A. Zhaisambayev

Tyumen Industrial University

T. V. Maltseva

Tyumen Industrial University

A. N. Kraev

Tyumen Industrial University

A. I. Sinitsky

Scientific Center for Arctic Research

References

Statistics

Views

Abstract - 16

PDF (Russian) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.