Полный текст

Для правильного понимания совместной работы свай и ростверков в Эстонском сельскохозяйственном университете были проведены модельные исследования. Было изучено поведение металлических свай и клиновидных свай с металлическим ростверком и выявлены физические явления, сопровождающие эти процессы [1-6]. Исследования были проведены в железобетонном ящике (3500×2000×2000 мм). В качестве грунта использовали среднезернистый песок. Объемный вес сухого грунта 14 кН/м², влажность 4 %, степень плотности ID = 0,43, угол внутреннего трения - 35°. Первая серия опытов была проведена с металлическими сваями диаметром 33,1 мм и длиной 620 мм. В качестве ростверка использовали металлическую плиту размерами 400×400×20 мм. Опыты были проведены с высоким и низким ростверком (где свая и ростверк работают совместно). Схема опытов приведена в табл. 1. В опытах с высоким ростверком были определены боковое сопротивление свай Na, порог ползучести Ny для свай и предельная нагрузка для свай Nf. Были рассчитаны удельное сопротивление боковой поверхности и сопротивление острия при Ny и Nf (табл. 2, рис. 1). Из табл. 2 и рис. 1 следует, что боковое давление и сопротивление острия (при Ny) не зависят от количества свай под высоким ростверком. Но на удельное сопротивление острия при Nf количество свай влияет, и эта величина возрастает с увеличением количества свай под ростверком. Таблица 1 Информация о проведенных опытах высоким ростверком Table 1 Information about the conducted experiments with a high grillage Номер опыта Модель Число сваи Расстояние между сваями, мм Соотношения диаметра сваи и расстояния между сваями 1 1 свая 1 - - 2 ростверк + 1 свая 1 - - 3 3 сваи 3 125 3,8 4 ростверк + 3 сваи 3 125 3,8 5 4 сваи 4 180 5,5 6 ростверк + 4 сваи 4 180 5,5 7 5 свай 5 125; 180 4; 5,5 8 ростверк + 5 свай 5 125; 180 4; 5,5 9 9 свай 9 90 2,7 10 ростверк + 9 свай 9 90 2,7 11 ростверк - - - Таблица 2 Результаты испытаний высоким ростверком Table 2 Test results with a high grillage Количество свай Na, кН Ny, кН Nf, кН ta, кН/м2 sy, кН/м2 st, кН/м2 1 3 6 8 50 3000 5000 3 8 17 23 50 3000 5000 4 14 28 42 58 3500 7000 5 15 30 46 50 3000 6200 9 30 60 100 55 3300 7700 Примечание. Na - боковое сопротивление свай; Ny - порог ползучести; Nf - предельное состояние; ta - удельное боковое сопротивление; sy - сопротивление острия при пороге ползучести; st - сопротивление острия при предельных состояниях. Рис. 1. Зависимость Na, Ny и Nf от количества свай Fig. 1. Dependence of Na, Ny, Nf on the number of piles По всей вероятности, если количество свай больше, происходит слияние зон выпора под острием сваи и повышается сопротивление острия сваи. Перед исследованием совместной работы сваи и ростверка были проведены испытания ростверка (штампа) и определена зависимость осадки от нагрузки: S = f(N). По этому испытанию были определены предельное давление (Nf = 140 кН) и порог ползучести (Ny = 100 кН). Для этих величин рассчитаны удельное сопротивление при пороге ползучести σy = 625 кН/м² и при предельном состоянии σf = 875 кН/м² [4-7]. На рис. 2 приведен график перераспределения нагрузки между сваями и ростверком при нарастании нагрузки на свайный фундамент. Вначале нагрузка передается на сваи до момента, когда нагрузка на сваи превышает предельную нагрузку на сваи и свайный фундамент оседает до формирования контакта между ростверком и сваей. Рис. 2. Распределение нагрузки между сваями и ростверком Fig. 2. The load distribution between piles and grillage Опыты показали, что в начале нагружения работают только сваи и ростверк включается в работу при осадке 12 мм, но в дальнейшем вся нагрузка передается только через ростверк, и на графике можно выделить линейный участок от 60 до 150 кН (Ny), где происходит уплотнение грунта под ростверком и выдавливание грунта из-под острия сваи. После превышения нагрузки Ny начинаются нелинейные деформации свайного фундамента в целом и происходит выдавливание грунта (разрыхление) основания [8, 9]. На рис. 3 приведены величины порога ползучести Ny и предельной нагрузки для ростверка без сваи и свайного фундамента, под которым количество свай изменялось от 1 до 9. Из графика следует, что если количество свай под ростверком 1 и 3, то несущая способность такого свайного фундамента меньше, чем одного ростверка. Но если количество свай под ростверком 4 и больше, то несущая способность свайного фундамента при Ny и Nf возрастает с увеличением количества свай. При 4 сваях несущая способность примерно равна сумме несущей способности сваи плюс ростверк. При 5 и 9 сваях несущая способность свайного фундамента выше. В ходе опытов измерялось сопротивление острия сваи и боковое сопротивление свай. В табл. 3 приведены результаты полученных измерений. Из табл. 3 видно, что несущая способность (предельное давление σf) ростверка без свай выше, чем со сваями. Сопротивление острия сваи и боковое сопротивление сваи намного выше, чем при опытах с высоким ростверком (см. табл. 2). Это связано с увеличением нормального давления на боковую поверхность сваи и на уровне острия сваи. Рис. 3. Зависимость величин Ny и Nf от количества сваи Fig. 3. Dependence of the values of Ny and Nf on the number of piles Таблица 3 Удельное давление под ростверком, на боковой поверхности и под острием сваи Table 3 Specific pressure under the grillage, on the side and under the foot of the pile Количество свай Давление под ростверком, кН/м2 Давление под острием сваи при предельном состоянии, кН/м2 Удельное сопротивление по боковой повехности, кН/м2 3 540 8000 120 4 575 12 000 160 5 625 9000 130 0 875 - - Эти исследования показали, что для включения в работу ростверка необходимо, чтобы сваи находились в предельном состоянии. Только выполнение этого условия позволяет сформировать нормальный контакт между грунтом и ростверком и передать через ростверк на грунт часть нагрузки [9-12]. Клиновидные сваи. Для изучения поведения клиновидных свай были изготовлены модели, которые приведены в табл. 4. Таблица 4 Размеры моделей клиновидных свай Table 4 Dimensions of models of wedge-shaped piles Обозначение длина/ширина (в см) клиновидной сваи Размеры Oбъем, м3 L, мм a, мм b, мм c, мм KV 30/3 KV 40/3 KV 40/6 300 400 400 86 120 120 30 30 60 8 16 16 423 816 1632 Вначале исследовалось поведение одиночных клиновидных свай. При этом изучалось поведение грунта при забивке клиновидных свай и при испытании этих свай вертикальной нагрузкой [5-7, 13, 14]. Поверхность грунта вокруг сваи в ходе забивки и в ходе статических испытаний поднималась вокруг сваи, как это для примера показано на рис. 4. Рис. 4. Подъем поверхности грунта около 30 cм сваи при забивании до глубины 20, 25, 30 cм и в конце статического испытания Fig. 4. The rise of the ground surface of about 30 cm of the piles during driving to depths of 20, 25, 30 cm and at the end of the static test Поведение грунта в ходе погружения клиновидных свай было изучено в рыхлом и плотном песке. При забивке модели KV 30/3 объемом 423 см³ объем подъема рыхлого грунта составлял 571 см³, объем плотного грунта - 1688 см³. Уплотнение грунта происходит только в нижней половине сваи и начинается на расстоянии 20-30 см от поверхности сваи, и в этой зоне степень плотности ID нарастает в рыхлых песках от 0,35 до 0,46. Объем этой уплотненной зоны сложно определить, но по пенетрационным опытам это больше, чем объем свай. Одиночные сваи были испытаны вертикальной нагрузкой. В ходе испытаний было изучено боковое сопротивление сваи Na, порог ползучести сваи Ny и предельное состояние сваи Nf. Средние результаты приведены в табл. 5. Таблица 5 Результаты испытаний клиновидных свай Table 5 Test results of wedge-shaped piles Свая Величины ρd, кН/м² ID Na, кН Nу, кН Nf, кН KV 30/3 1,58 0,8 3,5 8 13 KV 40/3 1,46 0,29 2,5 5,5 9,5 KV 40/6 1,46 0,29 5 11,5 19 KV 30/3 1,47 0,30 2 4,5 8 Примечание. ρd - плотность сухого песка; ID - степень плотности; KV 30/3 - длина/ширина (в см) клиновидной сваи. Удельное боковое сопротивление клиновидных свай в рыхлом песке составляло 36-46 кН/м², в плотных песках - 80 кН/м². В рыхлых песках несущая способность клиновидных свай в 1,7 раз меньше, чем в плотных песках. При обработке данных были определены следующие зависимости между характерными нагрузками: Na = 0,4Ny, Ny = 0,6Nf, Na = 0,25Nf. Эти зависимости совпадают с подобными зависимостями для производственных клиновидных свай длиной от 1,5 до 3,0 м. Вначале была испытан ростверк без сваи. В результате опыта порог ползучести одного ростверка составлял 34 кН (340 кПа), предельная нагрузка - 43кН (420 кПа). Принципиальная схема совместной работы ростверка и свай (две сваи 40/3 + ростверк) приведена на рис. 5. Рис. 5. Зависимость осадки от нагрузки для свайного фундамента Fig. 5. The dependence of the settlement load for pile foundation В начале нагружения начинают работать сваи, и их боковое сопротивление Na = 5 кН, порог ползучести Ny = 10 кН. После этого свайное основание переходит в нелинейное состояние, и эти нелинейные деформации развиваются до нагрузки 15 кН (осадка 48 мм). При этой нагрузке включается в работу ростверк. Линейное поведение ростверка проходит до 37,5 кН (порог ползучести всего свайного фундамента), и разрушение основания происходит при нагрузке 45 кН. В табл. 6 приведены данные, которые характеризуют работу сваи до включения в работу ростверка (KV 40/3). Таблица 6 Величины Ny и Nf для свай до включения в работу ростверка Table 6 Values Ny and Nf for piles utill the grillage start to work Количество свай Величины Ny, кН Ny для одной сваи, кН Nf, кН Nf для одной сваи, кН 1 3,8 3,8 7,5 7,5 2 9 4,5 15 7,5 3 13 4,3 20 6,7 При добавлении одной сваи в группу увеличивается порог ползучести Ny и предельное состояние Nf на величину несущей способности одной сваи, но если сравнить приведенные в табл. 6 величины с величинами испытания одиночных клиновидных свай (см. табл. 5), то видно, что эти величины отличаются и величины Nf под ростверком меньше, чем при испытании одиночных свай. Для Nf это объясняется включением в работу ростверка, что не позволяет свае достигать предельного состояния. В табл. 7 приведены величины порога ползучести Ny и предельной нагрузки Nf свайного фундамента, когда совместно работают сваи и ростверк. Таблица 7 Величины порога ползучести Ny и предельной нагрузки Nf Table 7 Values of Ny creep strength and Nf ultimate load Ростверк Ny, кН Nf, кН 22,5 30 Ростверк + 1×40/3 клиновидных сваи 28 37,5 Ростверк + 1×40/6 клиновидных сваи 30 40 Ростверк + 2×40/3 клиновидных сваи 35 45 Ростверк + 2×40/6 клиновидных сваи 41 50 Ростверк + 3×40/3 клиновидных сваи 42,5 55 Ростверк + 3×40/6 клиновидных сваи 47 57,5 Из табл. 8 и 9 видно, что с ростом числа клиновидных свай под ростверком увеличивается несущая способность свайного фундамента Ny и Nf. Это при пороге ползучести можно наблюдать в табл. 6 и 7. Из таблиц следует, что каждая свая добавляет практически порогу ползучести ростверка величину порога ползучести одиночной сваи. Таблица 8 Величины порога ползучести Ny с учетом прироста Table 8 Values of Ny creep strength taking growth into account Ростверк Величины Ny, кН Δ, кН 22,5 - Ростверк + 1×40/3 клиновидных сваи 28 5,5 Ростверк + 2×40/3 клиновидных сваи 35 7 Ростверк + 3×40/3 клиновидных сваи 42,5 7,5 Таблица 9 Величины порога ползучести Ny с учетом прироста Table 9 Values of Ny creep strength taking growth into account Pостверк Величины Ny, кН Δ, кН 22,5 - Ростверк + 1×40/6 клиновидных сваи 30 7,5 Ростверк + 2×40/6 клиновидных сваи 41 11 Ростверк + 3×40/6 клиновидных сваи 47 6 Исследование промышленных клиновидных свай (1,5-3,0 м) показало, что с ростом объема клиновидных свай уменьшается несущая способность 1 м3 сваи. Это явление характерно и для модели клиновидных свай [15-17]. Для KV 40/6 несущая способность при Nf на кубический метр была 7047 кН/м³ и для сваи KV 30/3 - 10 638 кН/м³. При анализе полученных данных была установлена интересная зависимость между объемом клиновидных свай под ростверком и величинами Ny и Nf свайного фундамента, которая приведена на рис. 6. При этом рост Nf происходит быстрее, чем рост Ny. Рис. 6. Рост величин порога и предельного состояния от объема клиновидных сваи Fig. 6. The increase of values of creep strength and limit state depending on the volume of wedge piles В целом проведенные исследования показали, что сегодня используется только малая часть несущей способности свайного фундамента. Приведенные результаты могут указать на эти возможности, но их необходимо проверять экспериментальными исследованиями действительных фундаментов.

Об авторах

М. Метс

Эстонский сельскохозяйственный университет

В. Леппик

Эстонский сельскохозяйственный университет

Р. Неедо

Kurmik Ltd

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 185

Ссылки

• Ссылки не определены.