Full Text

Введение В настоящее время интенсивно развивается строительство высотных зданий, крупных торгово-развлекательных комплексов, большепролетных промышленных и гражданских зданий и сооружений, на фундаменты которых передаются большие нагрузки, в том числе горизонтальные и моментные, причем зачастую такие здания строятся на площадках со сложными грунтовыми условиями. Следовательно, главной задачей при конструировании и расчете таких фундаментов, с целью получения оптимального и экономичного конструктивного их решения, является умение теоретически прогнозировать усилия в свае и ее деформации. Совершенствованию этих методов расчета посвящены работы В.Б. Шахирева [1-3], Я.Ш. Зиязова [4, 5], А.С. Буслова [6], В.Г. Березянцева [7], М.Н. Горбунов-Посадова [8], L.C. Reese [9], R.F. Scott [10], T.G. Davies [11], D.A. Brown [12, 13]. С ростом этажности зданий и пролетов промышленных цехов увеличиваются нагрузки на фундаменты здания. В этой связи все большее применение находят крупноразмерные сваи с высокой несущей способностью, как правило, это буронабивные сваи большого диаметра (до 1,5-2,0 м) и большой длины (30 м и более). Выбор фундамента здания в виде буронабивных свай большого диаметра объясняется их экономической целесообразностью. Широкая возможность вариации сечения и длины свай позволяет добиться максимального использования несущей способности свай на горизонтальную нагрузку, как по грунту, так и по материалу сваи. Горизонтально нагруженные сваи в грунте по схеме работы подразделяют на жесткие, гибкие и сваи конечной жесткости [14]. К жестким относятся сваи, поворачивающиеся в грунте под действием момента и горизонтальной нагрузки без существенного изгиба вокруг так называемой точки нулевых перемещений. Для жестких свай разрушение системы «свая - грунт» происходит за счет потери несущей способности грунта основания. При этом материал самой сваи остается, как правило, недоиспользованным. Гибкими считаются сваи, имеющие перемещение и изгиб ствола до некоторой глубины, ниже которой свая не деформируется. Исчерпание несущей способности гибкой сваи происходит с изломом сваи при достижении критических изгибающих моментов. Сваями конечной жесткости считаются сваи, у которых поворот в грунте относительно нулевой точки происходит со значительным изгибом ствола самой сваи, при этом имеет место некоторое перемещение нижнего конца сваи. Для свай конечной жесткости характерно как максимальное использование материала самой сваи, так и максимальное включение в работу грунтового основания. При проектировании фундаментов с применением таких свай возникает необходимость их расчета на горизонтальную нагрузку и изгибающий момент. Однако существующие методы расчета, в том числе изложенные в нормативных документах, неприменимы для таких свай, поскольку схема их работы в грунте существенно отличается от свай с небольшим поперечным сечением. Так, в СП «Свайные фундаменты» принята расчетная схема, в которой реализуется модель местных деформаций, а нормальное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи характеризуется коэффициентом постели, изменяющимся по глубине линейно в виде непрерывной функции, т.е. не учитывается многослойность основания. Для свай с небольшим поперечным сечением (30´30, 40´40 см) «рабочая длина» сваи в грунте не превышает 3-4 м, поэтому данная расчетная схема вполне приемлема, так как в пределах такой глубины наличие нескольких слоев с сильно изменяющимися деформационными характеристиками маловероятно. Дальнейшее увеличение длины таких сваи не дает повышения несущей способности на горизонтальную нагрузку в силу малой их изгибной жесткости. Свая изгибается, вовлекая в работу только верхние слои грунта. Для свай с большим поперечным сечением, в силу большой их изгибной жесткости, «рабочая длина» сваи значительно больше - может достигать 10-15 м, а в слабых грунтах - и 20 м, поэтому для получения надежных результатов в расчетной схеме следует учитывать многослойность основания, каждый слой в котором имеет свои характеристики. В слабых грунтах схема работы таких сваи может оставаться «жесткой» для значительных глубин до 10-12 м. А переход в гибкую схему работы, в зависимости от характеристик грунта, происходит при длинах свай более 20-30 м. Требуют изучения и подтверждения возможности применения для буронабивных свай значения коэффициента пропорциональности по табл. В.1 приложения СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», с помощью которого определяется коэффициент постели, так как этот коэффициент, учитывающий уплотнение грунта при забивке сваи, получен и дается для забивных свай. Кроме того, необходимо дать оценку влиянию масштабного фактора при определении этого коэффициента и учесть нелинейность деформирования грунта. Целесообразно также изучить возможность определения коэффициента постели с использованием модуля деформации и по данным статического зондирования. Неприемлем также и метод определения «расчетной ширины» сваи, изложенный в СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», из-за влияния масштабного фактора. 1. Расчетная схема Буронабивная свая большого диаметра в зависимости от ее длины и размеров поперечного сечения будет деформироваться (изгибаться) в грунте при действии на нее горизонтальной нагрузки по одной из трех схем: как абсолютно жесткая, конечной жесткости и гибкая. В ряде случаев при большой изгибной жесткости и небольшой длине сваи расчет на горизонтальную нагрузку можно выполнять по «жесткой» схеме. Для свай, работающих по жесткой схеме, можно условно принять линейную зависимость напряжения в грунте от горизонтального перемещения сваи Uz: (1) где Cz - коэффициент постели. Следовательно, можно сделать вывод, что на начальных этапах деформации сваи эпюра давлений грунта будет иметь вид, представленный на рис. 1, а. Однако вполне очевидно, что напряжения в грунте с перемещением сваи не могут расти до бесконечности. При достижении некоторого значения рост напряжения Rmax прекращается (рис. 1, б), а зависимость перемещения сваи от приложенной нагрузки перестает иметь линейный вид. Рис. 1. Эпюра напряжения в грунте горизонтально нагруженной сваи: а - на стадии линейной деформации грунта; б - после начала пластических деформаций грунта Fig. 1. Stress plot in the ground of a horizontally loaded pile: a - at the stage of linear deformation of the soil; b - after the beginning of plastic deformation of the soil При достижении в грунте предельного значения напряжения Rmax начинаются пластические деформации грунта. В Руководстве по проектированию и устройству заглубленных сооружений НИИСК Госстроя СССР1 представлена схема, где свая рассматривается как препятствие на пути движения грунта (оползня), вследствие чего со стороны наползания грунта у заглубленного сооружения (сваи) образуется уплотненная зона из наползающего грунта. Дальнейшее движение грунта вызывает образование поверхностей скольжения в уплотненной зоне (рис. 2). Рис. 2. Схема обтекания грунтом одиночной свайной опоры Fig. 2. The flow diagram primer single pile supports Согласно теории предельного равновесия связно-сыпучей среды сдвиговые деформации в области предельно напряженной среды всегда происходят по двум семействам поверхностей скольжения, располагающихся симметрично относительно направления главного напряжения и пересекающихся под углом (2) В этом случае в каждом поперечном сечении свайной опоры, обтекаемом грунтом при достижении предельного сопротивления, призма обтекания может быть представлена в виде трехгранника (см. рис. 2), опирающегося своим основанием на сваю и боковыми гранями, пересекающимися под углом θ. Условие предельного равновесия системы «свая - грунтовое основание» в этом случае можно будет записать в виде следующей формулы: (3) где Ep - пассивное давление грунта; d - диаметр (сторона) сваи; с - удельное сцепление грунта; φ - угол внутреннего трения грунта. В формуле (3) первые два слагаемых являются горизонтальной составляющей от пассивного давления грунта на боковые поверхности треугольника уплотненного грунта. Следующие два слагаемых - сила трения на поверхности скольжения. После преобразования формула (3) сократится до следующего вида: (4) Предельное давление на единицу длины сваи Rmax запишется как (5) Учет предельного напряжения грунта Rmax в стандартных методах расчета свай, работающих по жесткой или гибкой схеме, можно достичь итерационными методами последовательного приближения, где при достижении в грунте значения напряжения Rmax выполняется уточнение коэффициента постели грунта по формуле (6) и расчет перемещения сваи повторяется. → , (6) → . 2. Метод расчета Ниже представлена методика расчета на горизонтальную нагрузку свай, работающих по жесткой схеме в многослойном основании. Для учета нелинейной деформативности грунтового основания при расчете горизонтально нагруженных свай по данной методике была создана компьютерная программа с модулем итерационного приближения, учитывающим изменение коэффициента постели грунта при достижении в грунте предельного напряжения Rmax. Расчетная схема для расчета горизонтально нагруженных свай представлена на рис. 3. При выводе формул по данной методике приняты следующие предпосылки: 1. Основание по глубине в пределах длины сваи неоднородное, многослойное, разбито на n слоев с постоянными в пределах каждого i-го слоя коэффициентами постели Ki. 2. Размер сечения сваи по глубине d - постоянный, жесткость на изгиб принята бесконечной. 3. Изменение горизонтального перемещения сваи Uz по глубине принимаем как для жесткого стержня в упругой среде в виде , (7) где U0 - горизонтальное перемещение сваи в уровне поверхности грунта; l0 - глубина расположения точки нулевых перемещений, l0 = U0/φ0; φ0 - угол поворота сваи в уровне поверхности грунта. 4. Давление грунта qz на единицу длины сваи пропорционально ее горизонтальному перемещению UZ и коэффициенту постели KZ: (8) Из условия равновесия действующих и реактивных сил в соответствии с расчетной схемой на рис. 3 запишем поперечную силу QZ и изгибающий момент MZ в произвольном сечении сваи на глубине z при действии внешних горизонтальной нагрузки H0 и изгибающего момента M0: ; (9) Рис. 3. Расчетная схема буронабивной сваи Fig. 3. Calculation scheme of bored pile Исходя из принятых выше предпосылок, запишем сопротивление грунта на глубине . (10) Здесь - коэффициент постели i-го слоя грунта соответствующего глубине Тогда поперечная сила и изгибающий момент в произвольном сечении сваи z от сопротивления грунта i-го слоя составят: (11) После интегрирования выражений (11), суммирования по длине сваи до слоя j, в котором расположено сечение z, и преобразований с учетом значения l0 выражения (9) будут иметь вид , , (12) где (13) (14) где j - количество слоев выше сечения z; Ki - коэффициент постели i-го слоя грунта. Принимая в (12) z = l, а в (14) j = n, с учетом граничных условий на нижнем конце сваи Ql = 0 и Ml = 0, получим систему двух уравнений, из решения которой определятся формулы для вычисления значений перемещения U0 и угла поворота φ0 сваи в уровне поверхности грунта: , (15) где δнн и δмн - горизонтальное перемещение и угол поворота сваи в уровне поверхности грунта от H0 = 1; δнм и δмм - горизонтальное перемещение и угол поворота сваи в уровне поверхности грунта от M0 = 1. Значения δнн, δмн, δнн и δмн определяются по формулам ; ; , (16) где Значения Φ1, Φ2, Φ3 и Φ4 определяются по формулам (13) и (14), причем в формулах (14) суммирование производится по всей длине сваи l. Расчетный изгибающий момент MZ и поперечная сила QZ в сечении сваи на глубине z определяются по формулам (12). При этом в формулах (14) суммирование производится от первого слоя до слоя, в котором находится сечение z. Далее выполняется послойная проверка - уточнение коэффициентов постели грунта согласно условию (6), и расчет перемещения и угла поворота оголовка сваи повторяется с последующей проверкой условия по изменению перемещения за выполненный шаг расчета: → выполняется следующий шаг расчета последовательного приближения → окончание цикла расчета Для реализации метода расчета на практике необходимо экспериментально изучить особенности напряженно-деформированного состояния системы «горизонтально нагруженная свая - основание». С этой целью были выполнены натурные эксперименты на опытной площадке Инженерно-геологические условия опытной площадки представлены в таблице. Физико-механические свойства грунта Physical and mechanical properties of soil Номер ИГЭ Наименование грунта Расчетные характеристики грунта при доверительной вероятности 0,85 при доверительной вероятности 0,95 модуль деформации грунта, МПа плотность грунта, г/см3 угол внутреннего трения, град удельное сцепление, МПа плотность грунта, г/см3 угол внутреннего трения, град удельное сцепление, МПа 1 Технический грунт Расчетное сопротивление R0 = 100 кПа 2 Суглинки мягкопластичные и текучепластичные 1,76 15,3 0,026 1,74 14,5 0,025 6 2а Глины мягкопластичные и текучепластичные 1,71 8,7 0,022 1,69 8,2 0,02 5 3 Суглинки твердые и полутвердые 1,96 22,1 0,04 1,95 21,6 0,038 27 3а Глины твердые и полутвердые 1,89 14,9 0,045 1,88 14,3 0,042 26 4 Супеси пластичные 1,99 21,6 0,014 1,97 20,1 0,014 7 5 Супеси твердые 1,85 27,5 0,021 1,81 26 0,019 36 6 Пески пылеватые, плотные, водонасыщенные 1,87 32,1 0,068 1,72 31,9 0,005 32 7 Пески средней крупности, плотные, водонасыщенные 1,85 37 0,004 1,7 36,9 0,004 41 3. Экспериментальные исследования Для проведения экспериментальных исследований была разработана специальная методика испытаний свай на горизонтальную нагрузку, в соответствии с которой были изготовлены две опытные буронабивные сваи диаметром сечения 1,5 м, длиной 25 м. Схема опытной сваи представлена на рис. 4. Рис. 4. Схема опытной сваи Fig. 4. Scheme of the experimental piles Бурение скважин осуществлялось установкой БАУЭР в осадной трубе. В пробуренную скважину установлен специальный арматурный каркас с тензометрическими датчиками и инклинометрической трубой, установленной для дополнительного контроля за перемещением сваи методом инклинометрии. Наблюдения производятся при помощи комплекта измерительного оборудования, который включает в себя портативный вертикальный инклинометрический зонд, катушку измерительного кабеля и регистрирующее устройство. После установки арматурного каркаса в скважину производилось бетонирование сваи методом вертикально перемещающейся трубы. После отдыха в течение 28 сут призменная прочность бетона составила 22 МПа. Измерения перемещений оголовка сваи производились индикаторами часового типа 6-ПАО в уровне приложения нагрузки и на высоте 1 м от уровня приложения нагрузки. Горизонтальная нагрузка на сваю создавалась гидродомкратом с помощью масляной насосной станции ступенями по 17,5 тс каждая до нагрузки 245 тс. Давление контролировалось электронным манометром высокой точности, откалиброванным в общей схеме гидравлической системы. Величины деформаций и перемещений регистрировались комплексом измерительной аппаратуры фирмы, представившей датчики. За критерий условной стабилизации перемещения сваи принималось горизонтальное перемещение в уровне приложения нагрузки, не превышающее 0,1 мм за последние 2 ч наблюдений. По данным измерений в инклинометрической трубе во время испытания снимались накопительные горизонтальные отклонения по всему стволу сваи. Полученные результаты испытания свай представлены на графиках рис. 5, 6. Рис. 5. Графики деформации: а - «нагрузка - перемещение»; б - «нагрузка - угол поворота» Fig. 5. Deformation graphs: a - «load - displacement»; b - «load - rotation angle» Рис. 6. График деформации сваи по высоте Fig. 6. A graph of deformation of the pile height Как видно из графика «нагрузка - перемещение» головы сваи, до нагрузки 105 тс эта зависимость линейная, затем график искривляется, но предельного состояния достичь не удается, несмотря на то что перемещение сваи на уровне поверхности грунта достигает 34,38 мм при нагрузке 245 тс. При постепенном снятии нагрузки со сваи наблюдается в целом линейный спад деформации до нагрузки 70 тс, при котором контакт сваи с грунтом нарушается и происходит резкое выпрямление сваи. Остаточные деформации оголовка сваи после снятия нагрузки составляют 7,24 мм. Зависимость «нагрузка - угол поворота» в целом аналогична графику «нагрузка - перемещение». До нагрузки 105 тс угол поворота линейно увеличивается до значения 0,0012 рад, после чего происходит искривление графика, и при нагрузке 245 тс угол поворота головы достигает значения 0,0086 рад. График разгрузки сваи в целом имеет линейную зависимость до значения 0,0048 рад при нагрузке 70 тс. После этого происходит выпрямление сваи вследствие нарушения контакта сваи с грунтом. Остаточный угол поворота головы сваи после снятия нагрузки 0,0008 рад. Из анализа графиков деформации сваи по высоте можно отметить, что при небольших горизонтальных нагрузках на сваю (до ~90 тс) перемещения сваи по глубине близки к схеме работы сваи по «жесткой схеме». При дальнейшем увеличении нагрузки на сваю происходит ее значительный изгиб до отметки 114 м, ниже которой деформации ствола сваи волнообразно затухают по глубине. «Рабочая длина» сваи составляет ориентировочно 10-12 м. Для оценки точности расчетов выполнены расчеты по предложенной методике и по методике СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», с последующим сравнением полученных результатов с опытными значениями. Результаты расчета перемещения головы сваи представлены на рис. 7. Как видно из сравнения расчетных данных с опытом, расчет по предлагаемой методике, реализующей жесткую схему, дает существенный запас, который растет с увеличением нагрузки. Это объясняется тем, что опытная свая работала по гибкой схеме, т.е. ее перемещение увеличивалось с ростом нагрузки и за счет ее изгиба, и за счет вдавливания в грунт, в то время как в расчете изгиб сваи не учитывался. Рис. 7. Графики зависимости «горизонтальная нагрузка - перемещение головы сваи» Fig. 7. Graphs of the “horizontal load - displacement of pile head” Сравнение расчетных данных по методике СП24.13330.2011 с опытом показывает аналогичную закономерность, но в данном случае это объясняется неучетом многослойности основания, хотя изгибная жесткость принимается во внимание. Исходя из полученных данных следует, что при расчете свай большого диаметра необходимо учитывать многослойность основания, нелинейность деформаций грунтового основания и изгибную жесткость сваи, а также выполнять исследования по корректировке определения коэффициента постели.

About the authors

A. L Gotman

Perm National Research Polytechnic University

A. Z Gaisin

Perm National Research Polytechnic University; Ltd. NPP “ExpertGeoProjekt”

References

Statistics

Views

Abstract - 205

Refbacks

• There are currently no refbacks.