Construction and Geotechnics

В последние годы в связи с возрастающими объемами городской застройки наблюдается тенденция к исчерпанию в крупных городах территориальных резервов, пригодных для строительства. Всё чаще для возведения гражданских и промышленных зданий приходится использовать территории с малоблагоприятными грунтовыми условиями. В подобных случаях применяют различные свайные фундаменты, обладающие существенными техническими и экономическими преимуществами по сравнению с фундаментами на естественном основании. Среди прогрессивных конструкций свайных фундаментов особое место занимают сваи в пробитых скважинах с уширением, обеспечивающие улучшение физико-механических свойств грунтов основания в процессе производства работ, а также снижение материальных, энергетических и трудовых затрат при их устройстве. Сваи указанного типа проектируются с использованием разработанной нормативной базы СТО 36554501-018-2009 «Проектирование и устройство свайных фундаментов и упрочненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах». В то же время особую актуальность приобретает задача повышения качества работ по проектированию, устройству, а также оценке и прогнозированию несущей способности свай. Данная задача с высокой степенью точности решается путём проведения крупномасштабных испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой. Указанные испытания выполняются в реальных условиях площадки строительства и позволяют выполнить наблюдение за общим характером изменения осадки сваи под действием нагрузки. Статья посвящена решению задачи повышения эффективности оценки несущей способности свай по данным статических испытаний. На примере результатов испытаний одиночных свай в пробитых скважинах с уширением, авторами статьи дается оценка эффективности применения существующих отечественных и зарубежных методов определения несущей способности свай. В рамках решения обозначенного вопроса проведено сравнение результатов определения несущей способности по СП 24.13330.2021 с данными, полученными в ходе использования методов Davisson, Chin, De Beer, Hansen, Decourt и «Еврокод 7». Отмечаются достоинства и недостатки используемых подходов. На основании накопленного практического опыта испытаний свай в пробитых скважинах с уширением в различных грунтовых условиях авторами статьи предложен альтернативный метод интерпретации графика «осадка - нагрузка».

Геотехнические модели нелинейного механического поведения грунтов с упрочнением широко используются в практике проектирования и реализованы в современных конечно-элементарных программных комплексах PLAXIS, MIDAS GTS NX, Z-Soil, Optum и др. Нормативные документы, хотя и предписывают выполнение расчетов оснований преимущественно с применением нелинейных моделей, однако ГОСТ не регламентируют определение их параметров. Основная причина заключается в том, что современные нелинейные модели, по сути, являются коммерческими продуктами разработчиков программного обеспечения, что не может быть стандартизировано. По этой причине специалистами АО «НИЦ “Строительство”» НИИОСП имени Н.М. Герсеванова разработан СТО 36554501-067-2021 «Лабораторное определение параметров нелинейного механического поведения грунтов с объемным и двойным упрочнением». Стандарт разработан на основе мирового опыта определения параметров моделей с использованием передового лабораторного оборудования для исследования свойств грунтов. В статье описаны основные наиболее значимые положения указанного стандарта. Так, взависимости от решаемой задачи введены четыре группы моделей: I - с объемным изотропным упрочнением (модель Soft Soil); II - объемным изотропным упрочнением и учетом реологических свойств (модель Soft Soil Creep); III - двойным изотропным упрочнением (модель Hardening soil); IV - двойным изотропным упрочнением и жесткостью при малых деформациях (модель Hardening soil with small strain). Приведены требования к видам и объемам испытаний, необходимых и достаточных для определения параметров моделей. В связи с тем что параметры моделей определяются исключительно по лабораторным испытаниям, СТО содержит требования по оценке качества образцов на основе измерения объемной деформации при приложении эффективного природного напряжения. Использование образцов плохого и очень плохого качества для определения параметров моделей не допускается. Показано, что степенной показатель m , отражающий зависимость жесткости грунта от напряженно-деформированного состояния в моделях III и IV групп, может быть получен на основе трехосных или одометрических испытаний и должен назначаться в зависимости от преобладающего вида деформаций в задаче (сжатие или сдвиг). Параметры жесткости при малых деформациях могут быть определены в полевых условиях (с использованием сейсмоакустических методов) или в лабораторных условиях (путем испытаний грунтов в резонансной колонке по ГОСТ Р 56353-2015, сейсмоакустических испытаний на образцах в камерах трехосного сжатия, оборудованных бендерными элементами или датчиками деформации на локальной базе). Разработанный СТО 36554501-067-2021 содержит требования по определению жесткости при малых деформациях в лабораторных условиях.

Изменения действующих на дренажную трубу (трубопровод) нагрузок в соответствии с относительной способностью деформироваться дренажной трубы и грунтовой засыпки имеют существенное значение. Для определения величины нагрузок на проложенный в траншее дренажный трубопровод наиболее точно соответствует результатам экспериментов и удобна для инженерной практики формула, предложенная А. Марстоном. Перфорация стенок дренажной трубы влияет на их прочность не только при работе труб на раздавливание, но также для условий транспортировки и монтажа труб. Исследовано контактное взаимодействие поперечного сечения дренажной трубы с грунтовым основанием, в этом случае рассматривается взаимодействие цилиндрической (имеющей полукруглый контакт) или релоидной (имеющей контакт сектора круга) оболочек, лежащих на упругом грунтовом основании. Рассмотрено дифференциальное уравнение для описания деформирования упругой оболочки, которое включает параметр жесткости, линейные дифференциальные операторы, компоненты перемещения нейтральной оси дренажной трубы, внешнюю нагрузку и безразмерные координаты. Для моделей упругого основания Э. Винклера и В.З. Власова предложено общее решение дифференциального уравнения, описывающего деформацию дренажной трубы. Решение этого уравнения и внешняя нагрузка представлены в виде двойных или одинарных тригонометрических рядов в зависимости от поставленной задачи (двумерной или одномерной). Рассмотрена горизонтально лежащая цилиндрическая (или релоидная) оболочка (дренажная труба), опертая на грунтовое основание. Контактное давление определяется суммированием коэффициентов Фурье. В данном решении дополнительно учитывается распределительная способность грунтового основания дренажной трубы.

Рассмотрены основные проблемы проектирования и расчета фундаментов глубокого заложения высотных зданий в виде свай-баретт. Приводятся результаты и методика полевых испытаний свай-баретт для фундамента проектируемого 56-этажного жилого здания в г. Москве. Представлена характеристика инженерно-геологических условий площадки будущего строительства и проектные решения для проведения опытных испытаний. Учитывая большое поперечное сечение баретт, из-за чего вовлекается значительный объем околосвайного массива грунта с формированием сложного напряженно-деформированного состояния, для получения достоверных результатов и верификации расчетной модели рекомендуется численные испытания проводить в полном соответствии с натурным экспериментом с учетом анкерных свай. В статье описывается методика и результаты численного расчета определения несущей способности баретты с учетом моделирования анкерной системы в программном комплексе «Midas GTS NX» методом конечных элементов, показана принципиальная возможность использования программного комплекса и описанной методики для практических целей с допустимой точностью. В статье приведены графики вертикальных перемещений оголовка баретты от приложенной нагрузки при натурном испытании и общая оценка несущей способности сваи-баретты, полученная численными решениями. Установлено, что при учете анкерной системы (балок и свай) в численном моделировании полученные результаты расчета наиболее точно к полевым испытаниям описывают поведение сваи под нагрузкой по сравнению с расчетом одиночной сваи-баретты. Несмотря на заложение низа баретт в скальных грунтах, баретта по условиям взаимодействия с грунтом относится к висячим сваям ввиду значительной передачи нагрузки по боковой поверхности.

Представлены экспериментальные исследования механических свойств низового клина низконапорной дамбы в условиях быстрого повышения уровня паводковых вод, так как обеспечение устойчивости откоса насыпных гидротехнических сооружений при возрастающих природных и техногенных катастрофах с учётом изменения климатических и сейсмических условий является первостепенной задачей для специалистов проектных и эксплуатирующих организаций водохозяйственного комплекса. В настоящее время, несмотря на повышенный интерес к оползневым факторам, информации о том, как размеры дренажных устройств, расположенных в области низового клина низконапорной дамбы, могут повлиять на устойчивость ее откоса в случае быстрой сработки уровня паводковых вод, по-прежнему недостаточно. С целью анализа влияния размера дренажных устройств низконапорной дамбы на устойчивость ее откоса при возможной сработке уровня, проведены численные исследования в плоской постановке. Выполненное математическое моделирование позволило оценить нарушения устойчивости откоса дамбы за счёт быстрой сработки уровня паводковых вод и определить влияние размера дренажа низконапорной дамбы. Анализ результатов моделирования показал, что в сценарии быстрой сработкой уровня воды в реке после прохождения пика паводка, устойчивость откоса низконапорной дамбы, обращенного в сторону реки, уменьшается. Поровое давление в верхнем бьефе насыпи уменьшается с увеличением размера дренажа низового клина, в это же время в нижнем бьефе оно увеличивается. При увеличении размера дренажа значения коэффициента устойчивости откоса возрастают. Выявленные в процессе математического моделирования факторы, влияющие на устойчивость дамбы в зависимости от длины дренажа в области низового клина низконапорной дамбы, можно использовать в прогнозных целях для оценки их надежности.