THE INFLUENCE OF SINGLE-LAYER AND DOUBLE-LAYER BASES VERTICAL SOIL PRESSING ON THE BEARING CAPACITY OF PILES

Abstract


The article is proposed the increasing of pile foundations load-bearing capacity. In that work authors deal with problems of quantitative estimation of the transformed soil layer residual deformations and stresses, which are the result of additional vertical pressure applying on the soil base, prior to loading the pile foundation. Based on the results of analytical and numerical calculations of the single-layer and two-layer soil base vertical crimping, parameters of the bearing capacity growth are established. Two-layered soil base is more complex and more close to reality system. The article considers the stress-strain state generation and piles bearing capacity increments at different pressures of crimping in the range of basic building pressures from 50 to 150 kPa. It was considered in plane strain and spatial model. Research presents the results of the mechanical soil properties influence its preliminary crimping influence on the pile bearing capacity in various engineering and geological conditions. Increasing of pile bearing capacity depends mainly on the deformation soil base characteristics. The article discusses about the character of horizontal soil movements during and after crimping process and changes in the soil base stressed state along the pile stem, which affects their interaction. The article presents the pile bearing capacity increment in single-layer and double-layer soil base crimping cases. On the example a 12-storey building construction was established that the soil base crimping of combined foundation using could reduction the subterranean building part erection cost by 21 % in comparison with the traditional slab-pile foundation.

Full Text

В современном фундаментостроении использование свай позволяет решать сложные геотехнические задачи, например: возведение зданий и сооружений с освоением подземного пространства на застроенных территориях в существующей инфраструктуре с большой этажностью [1]. Поэтому применение свайных фундаментов повышенной несущей способности находится в постоянной модернизации и остается актуальным в настоящее время [2-10]. Напряженно-деформированное состояние (НДС) грунтового массива является одной из важных составляющих, влияющих на несущую способность свай, и его регулирование может позволить повысить несущую способность свай. Одним из таких методов является опрессовка основания [11-21]. Задачей является подробное изучение и совершенствование теоретических основ преобразования слабых глинистых грунтов с помощью формирования остаточного напряженно-деформированного состояния при опрессовке. С целью изучения взаимодействия сваи с опрессованным грунтовым массивом были проведены аналитические и численные расчеты при однослойном и двухслойном основании. Расчетная схема аналитического расчета при однослойном грунтовом основании представлена на рис. 1. Для определения дополнительного бокового давления было применено решение И.Х. Митчела [22]. Согласно выполненным расчетам установлено увеличение несущей способности сваи до 20 % при использовании опрессовки однослойного грунтового основания (Pопр) от 50 до 150 кПа (рис. 2). В численном исследовании рассматривалась свая с аналогичными параметрами в пространственной постановке (солид - интерфейс - солид) с помощью ПК Midas GTS NX (рис. 3). Рис. 1. Расчетная схема оценки влияния опрессовки и бокового давления на несущую способность сваи согласно решению Митчела Fig. 1. A design scheme of analysis of crimping and lateral pressure influence on the piles bearing capacity by Mitchel solution Рис. 2. График зависимости несущей способности сваи от давления опрессовки Ропр Fig. 2. The graph of dependence between pile bearing capacity and crimping pressure Рcr Грунт (солид) Свая (солид) Интерфейс (оболочка) Рис. 3. Модель сваи в грунтовом массиве Fig. 3. Model of pile in the soil base Расчет производился по следующим стадиям: формирование начального НДС; вертикальная опрессовка околосвайного пространства; нагружение сваи с шагом 20 кН. Оценивая влияние предварительной опрессовки однослойного грунтового основания, на первом этапе варьировали значение модуля дефомации Е от 3 до 18 МПа. Серии расчетов были проведены также на действие предварительного вертикального давления Ропр, равного 50, 100 и 150 кПа (табл. 1). Таблица 1 Значения несущей способности сваи Fd в зависимости от величины опрессовки Table 1 The values of pile bearing capacity Fd, depending on the crimping pressure value Величина предварительного вертикального нагружения Pопр Несущая способность сваи Fd, кН, при модуле деформации Е = 3 МПа Е = 6 МПа Е = 9 МПа Е = 12 МПа Е = 15 МПа Е = 18 МПа Без опрессовки 102,47 231,48 346,14 447,99 509,68 559,38 50 кПа 139,74 268,79 363,51 470,16 534,37 585,42 100 кПа 136,7 257,08 375,16 475,62 538,72 591,03 150 кПа 136,7 251,65 376,25 484,46 567,81 601,51 Горизонтальные деформации грунта при опрессовке значительно возрастают (рис. 4, а), и перемещения концентрируются в основном в уровне оголовка сваи (рис. 4, б-г). В результате предварительной опрессовки происходит дополнительное обжатие верхней части сваи около поверхности грунтового основания, что увеличивает сопротивление грунта на боковой поверхности и ведет к общему повышению ее несущей способности. а б в г Рис. 4. Изолинии распространения горизонтальных перемещений в грунтовом основании: а - без опрессовки; б - предварительно опресованном давлением Ропр = 50 кПа; в - Ропр = 100 кПа; г - Ропр = 150 кПа Fig. 4. Isolines of soil horizontal displacement: a - without crimping; b - crimping by Рcr = 50 kPa; с - Рcr = 100 kPa; d - Рcr = 150 kPa Данные о несущей способности сваи при изменениии модуля деформации E представлены в табл. 1. Наибольшее приращение несущей способности сваи возникает в основании с модулем деформации Е = 3…6 МПа. С повышением значений деформационных характеристик грунта влияние опрессовки снижается. Для формирования нового измененного напряженно-деформированного состояния в менее сжимаемом грунте необходимо большее давление Pопр на основание. При опрессовке однослойного основания с модулем деформации Е от 9 до 18 МПа наибольшее значение приращения несущей способности сваи (∆Fd) создается от давления Ропр = 150 кПа. Для детального изучения влияния прочностных характеристик основания на величину приращения несущей способности свайного фундамента после опрессовки было проведено дополнительное исследование в пространственной постановке в программном комплексе Midas GTS NX. К расчетам был принят однородный грунтовый массив, переменными характеристиками являлись удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ. Расчеты были проведены с переменным значением угла внутреннего трения φ от 0 до 30°. На рис. 5 представлены изолинии распространения вертикальных перемещений в основании, сложенном идеально сыпучим грунтом, со значением угла внутреннего трения φ, равным 5 и 15°. φ = 5° а б в г φ = 15° а б в г Рис. 5. Изолинии распространения вертикальных перемещений в грунтовом основании с φ = 5 и 15°: а - без опрессовки; б - предварительно опресованном давлением Ропр = 50 кПа; в - Ропр = 100 кПа; г - Ропр = 150 кПа Fig. 5. Isolines of soil vertical displacements in base with φ = 5 and 15°: a - without crimping; b - crimping by Рcr = 50 kPa; с - Рcr = 100 kPa; d - Рcr = 150 kPa Исходя из полученных изолиний вертикальных напряжений можно сделать вывод о том, что с увеличением значения угла внутреннего трения до 30° возрастает приращение несущей способности при опрессовке с 9,7 до 14,5 %. По результатам наблюдения за приращением несущей способности сваи при изменении значений удельного сцепления с отмечен незначительный рост - с 14,5 до 16 % - при опрессовке давлением Ропр = 50 кПа основания с удельным сцеплением от 0 до 10 МПа. В основании с удельным сцеплением в диапазоне от 18 до 30 МПа наблюдается увеличение несущей способности сваи с 8 до 12 %, при давлении опрессовки Ропр = 150 кПа (рис. 6). Рис. 6. График зависимости величины несущей способности одиночной сваи от величины c грунта и значения опрессовки Fig. 6. The graph of dependence of the load-bearing capacity of a single pile on the value of c of the soil and the value of the pressing Согласно полученным результатам установлено, что изменение прочностных характеристик грунтового основания оказывает меньшее влияние на приращение несущей способности сваи при опрессовке основания. Отдельно также были проведены серии расчетов, в которых исследовалось НДС двухслойного основания при опрессовке и изменение несущей способности сваи. Двухслойное основание является более сложной и более приближенной к реальности системой. Вдоль ствола сваи располагался мягкопластичный суглинок. Опирание сваи осуществлялось на основание, сложенное суглинками и супесями с более высокими механическими характеристиками. В результате включения более прочного основания под пятой сваи значение несущей способности сваи без опрессовки возросло до 535,77 кН. С учетом действия бокового давления, возникающего от вертикальной опрессовки давлением Ропр = 50 кПа, Ропр = 100 кПа, Ропр = 150 кПа, были определены значения несущей способности сваи и построен график (рис. 7). Рис. 7. График зависимости несущей способности сваи в двухслойном основании от давления опрессовки Ропр Fig. 7. The graph of dependence between pile bearing capacity in two-layer soil base and crimping pressure Рcr Согласно аналитическим расчетам изменение несущей способности свай в двухслойном основании достигает 17 %. Моделирование данной задачи было также выполнено в плоской постановке с помощью численных методов (рис. 8). Расчет проводился в два этапа с использованием упругопластической модели упрочняющегося грунта Hardening Soil. На первом этапе рассматривались горизонтальные перемещения, возникающие в грунтовом массиве от приложения вертикального давления с шагом Ропр = 50 кПа. На втором этапе рассчитывался массив грунта со сваей и приложенным к ее оголовку критичным перемещением, значение которого составило 6 см (рис. 8). За предельно допустимую осадку, которая является критерием определения несущей способности, взята осадка 30 мм согласно СП 22.13330.2011. а б в Рис. 8. Горизонтальные перемещения, возникающие в грунте: а - от действия максимальных вертикальных перемещений сваи без опрессовки, б - на первом, в - втором этапе расчетов в модели Hardening Soil при опрессовке давлением Ропр = 50 кПа Fig. 8. Soil horizontal displacements: a - from the maximum vertical displacement of the pile (without crimping), b - in first calculation step; c - in second Hardening Soil model calculation step with crimping pressure Рcr = 50 kPa Построены графики зависимости осадки сваи от напряжений, возникающих в грунтовом массиве до и после опрессовки. Установлено, что изменение величины опрессовки Ропр основания в рассмотренном диапазоне (50-150 кПа) приводит к увеличению несущей способности сваи до 3 раз (табл. 2). При исследовании влияния опрессовки двухслойного грунтового основания в пространственной постановке замечены изменения в формировании НДС, подобные тем, что происходят в однослойном грунтовом массиве. Значения горизонтальных перемещений возрастают. Большая концентрация напряжений возникает в уровне оголовка сваи, происходит большее обжатие сваи по боковой поверхности и защемление оголовка. Таблица 2 Значения горизонтальных перемещений и несущей способности сваи на первом и втором этапах расчетов в модели Hardening Soil Table 2 Values of horizontal displacements and bearing capacity of the pile at the first and second stages of calculations in the Hardening Soil model № п/п Значение Ропр, кПа Несущая способность сваи Fd, кН Fd2/Fd1 без опрессовки с опрессовкой 1 50 279,23 406,15 1,45 2 100 530,77 1,90 3 150 666,92 2,39 Результаты расчета в пространственной постановке при различных значениях модуля деформации грунта вдоль сваи представлены на рис. 9. Прослеживается установленная ранее закономерность большей эффективности применения опрессовки основания с меньшими деформационными характеристиками давлением 50 кПа и с большими значениями модуля деформации давлением 150 кПа. Рис. 9. Изменение несущей способности сваи в зависимости от величины опрессовки грунтового основания Fig. 9. Change of bearing capacity of the pile, depending on the value of the ground base pressing Полученные результаты исследования были использованы при проектировании подземной части трехсекционного монолитно-каркасного 12-этажного жилого дома. Размеры секции в плане 24×32 м. Выявлена экономическая эффективность применения опрессовки основания комбинированного ленточно-свайного фундамента (КЛСФ) по отношению к традиционному свайно-плитному фундаменту со следующей конфигурацией: - свайно-плитный фундамент: сваи, шаг свай - 900 мм, толщина плиты 0,8 м; - КЛСФ: сваи сечением 300×300 мм, длиной 12 м, шаг свай - 1100 мм. Основание сложено глинистым грунтом от мягкопластичной до полутвердой консистенции. Сметные расчеты на общестроительные работы по возведению фундаментов были составлены в ценах 4-го квартала 2017 г. Использование данной технологии при возведении фундаментов позволило снизить стоимость строительства подземной части каждой секции на 2 609,6 тыс. руб. Величина трудозатрат рабочих повышается, но трудозатраты машин и механизмов уменьшаются. Стоимость материалов на возведение традиционного плитно-свайного фундамента на 2 413,41 тыс. руб. выше затрат на материалы, необходимые для устройства КЛСФ, за счет регулирования НДС основания опрессовкой грунта. Таким образом, метод опрессовки, позволяя регулировать напряженно-деформированное состояние грунтового основания, эффективно сказывается на росте несущей способности фундаментов. Эффективность применения опрессовки свайного фундамента обоснована аналитическими и численными методами. Численные расчеты, проведенные в пространственной постановке, позволяют зафиксировать остаточные напряжения в грунтовом массиве от опрессовки, что приводит к росту касательных сил трения по боковой поверхности, напрямую влияющих на несущую способность сваи. В результате применения КЛСФ с опрессовкой основания при устройстве подземной части трехсекционного 12-этажного здания удалось снизить стоимость работ на 21 % по сравнению с использованием традиционного свайно-плитного фундамента.

About the authors

M. A Stepanov

Industrial University of Tyumen

K. R Dzhabrailova

Industrial University of Tyumen

G. I Rybak

Industrial University of Tyumen

Mikh. A Stepanov

Industrial University of Tyumen

References

  1. Алфимов А.В. Экономическое обоснование строительства высотного здания // Экономические науки. - 2012. - № 87. - С. 95-99.
  2. Степанов М.А. Взаимодействие комбинированных ленточных свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием: дис. … канд. техн. наук. - Тюмень, 2015. - 189 с.
  3. Пронозин Я.А., Степанов М.А. Экспериментальное обоснование использования ленточных свайных фундаментов с предварительно напряженным грунтовым основанием // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2014. - № 2. - С. 180-189. doi: 10.15593/2224-9826/2014.2.13
  4. Наумкина Ю.В. Усиление ленточных фундаментов с переустройством в сплошную плиту переменной жесткости с предварительным напряжением грунтового основания: автореф. дис. … канд. техн. наук. - Тюмень, 2013. - 24 с.
  5. Пронозин Я.А., Степанов М.А., Волосюк Д.В. Регулирование напряженно-деформированного состояния основания комбинированных ленточно-свайных фундаментов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2016. - № 3. - С. 16-20.
  6. Моторный А.Н. Современные представления несущей способности забивных свай: автореф. дис. … канд. техн. наук. - Киев, 2014. - 10 с.
  7. Расчетно-экспериментальное обоснование использования свайно-оболочечных фундаментов в высотном строительстве [Электронный ресурс] / В.М. Чикишев, Я.А. Пронозин, Л.Е. Мальцев, Ю.В. Зазуля, М.А. Степанов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Серия: Политематическая. - 2012. - Вып. 1 (20). - URL: www.vestnik.vgasu.ru/?source=4&articleno = 798 (дата обращения: 20.06.2018).
  8. Гусев Г.Н., Ташкинов А.А. Численное моделирование силового взаимодействия плитно-свайного фундамента с грунтовым массивом // Вычислительная механика сплошных сред. - 2012. - Т. 5, № 3. - С. 359-363.
  9. Шулятьев О.А. Фундаменты высотных зданий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2014. - № 4. - С. 203-245. doi: 10.15593/2224-9826/2014.4.19
  10. Опыт устройства фундаментов зданий повышенной этажности в условиях юга Тюменской области / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов, Д.В. Волосюк, А.Н. Шуваев, Г.И. Рыбак // Вестник МГСУ. - 2018. - Т. 13, вып. 3 (114). - С. 282-292.
  11. Повышение несущей способности буровой сваи при радиальном обжатии стенок скважины по технологии «Песконасос» / В.В. Знаменский, А.Л. Крыжановский, М.Р. Негахдар, О.И. Рубцов // Вестник МГСУ. - 2008. - № 2. - С. 55-62.
  12. Тер-Мартиросян З.Г. Напряженно-деформированное состояние анизотропного водонасыщенного основания // Вестник МГСУ. - 2006. - № 1. - С. 28-37.
  13. Плитно-свайные фундаменты как способ решения сложных геотехнических проблем / В.В. Лушников [и др.] // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. - 2013. - № 4. - С. 83-86.
  14. Сваи и свайные фундаменты. Конструкции, проектирование и технологии / Р.А. Мангушев, В.В. Знаменский, А.Л. Готман, А.Б. Пономарев. - 2-е изд. - М.: Изд-во АСВ, 2018. - 320 с.
  15. Петрухин В.П., Шулятьев О.А., Мозгачева О.А. Новые способы геотехнического проектирования и строительства. - М.: Изд-во АСВ, 2015. - 217 с.
  16. Hanisch J., Katzenbach R., Konig G. Kombinierte Pfahl-Plattengriindug // In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis «Pfahle» der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik (DGGT). - Ernst & Sohn, 2002.
  17. Poulos H.G. Piled-raft foundations - design and application // Geotechnique. - 2001. - Vol. 50, № 2. - P. 95-113.
  18. Lutz B., Morauf D., Scheffler J. Kombinierte Pfahl-Plattengrundungen Modellversuche und Berechnungen // FgeoBAU. - Berlin. - 2010. - Bd. 1. - P. 107-115.
  19. Abdel-Rahman M. Geotechnical behavior of shell foundations: philosophy doctor thesis. - Concordia University, Montreal, Canada, 1996.
  20. El-Mossallamy Y. Economic Design of Piled Raft Foundations for high-rise buildings and bridge foundations // International Conference on Geotechnical Engineering, 19-22 May, 2004. - Beirut, 2004.
  21. Katzenbach R., Arslan U., Moormann Chr. Piled raft foundation projects in Germany // Design Applications of Raft Foundations / Ed. by J.A. Hemsley. - Thomas Telford Ltd, 2000. - P. 323-391.
  22. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. - М.: Изд-во АСВ, 2005. - 480 с.

Statistics

Views

Abstract - 828

PDF (Russian) - 144

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Stepanov M.A., Dzhabrailova K.R., Rybak G.I., Stepanov M.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies