АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ НАТУРНЫХ БУРОНАБИВНЫХ КОНИЧЕСКИХ СВАЙ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Исследовались четыре буронабивные сваи двух типоразмеров длиной 4,5 м, диаметром голов 0,4 и 0,6 м, диаметром нижнего торца 0,2 м с углом конусности 1о20ʹ и 2о40ʹ соответственно. Две разнотипных сваи были оснащены по высоте четырьмя тензодинамометра, и две – десятью мессдозами по пять с каждой из диагональных противоположных сторон. Грунты на экспериментальном полигоне сложены твёрдой супесью. По данным измерений тензодинамометров и мессдоз строились эпюры распределения усилий и напряжений в сечениях по стволу свай, а также эпюры контактных напряжений по их боковой поверхности. Результаты исследований позволили выявить, что в несущей способности буронабивных конических свай в значительной мере участвуют дополнительные силы отпора грунта по наклонной боковой поверхности при её осадке под нагрузкой. Доля отпора грунта, в зависимости от угла конусности, составляет 34-50 % от общей несущей способности, сопротивление нижнего торца – 17-23 %, трения по боковой поверхности ствола – 34- 43 %. Эти данные указывают на эффективность придания стволам буронабивных свай длиной до 5 м даже незначительной конусности в пределах 1,5о… 3,0 о.

Ключевые слова:
буронабивная свая, конусность сваи, несущая способность, мессдоза, тензодинамометр, отпор грунта, эпюра усилий, эпюра напряжений.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

 Введение. По сравнению с забивными сваями у цилиндрических буронабивных свай аналогичных размеров несущая способность обычно меньше из-за отсутствия уплотнённого слоя грунта вдоль боковой поверхности и под остриём (нижним торцом). Поэтому практически все усовершенствования конструкций буронабивных свай касаются устранения этого недостатка за счёт придания боковой поверхности шероховатости, волнистости, утолщений и/или устройства под нижним торцом уширений или уплотнений. Так ещё в 1927 году проф. Дмоховский В.К. [1] отмечал принцип устройства усовершенствованных свай Компрессоля (1900 г.) и Франкиньоля (1909 г.) путём тампонирования бетона в скважине, что позволяло вдавливать бетонную смесь в основание, а также стенки скважин и тем самым получать по высоте переменный диаметр конструкции. К этому же типу по технологии устройства относятся частотрамбованные сваи [2]. Известны буронабивные сваи Франки с гофрированной поверхностью ствола [3, 4].

Инженеры А.Э. Страус и Е.П. Хлебников разработали конструкции свай с неровностями по стволу и уширенной пятой [5]. Уширения стволу сваи в нижнем торце придаются камуфлетным взрывом [6], статическим вдавливанием лучевидного уширителя [7], раскатыванием роликами [8] или резанием грунта [9]. К современным разработкам повышения несущей способности буронабивных свай можно отнести буроинъекционные (корневидные сваи) [10, 11], с вибровтрамбовыванием в основании сваи щебня [12], а также сваи с термохимическим уширением в основании [13], сваи РИТ с применением разрядно-импульсной [14] и электроразрядной технологий [15] для получения многоместных уширений по стволу.

К сваям повышенной несущей способности относятся набивные конической формы, изготавливаемые в пробитых лидером скважинах [16, 17]. Логично было изменить цилиндрическую форму на коническую и для буронабивных свай. В этом случае по наклонной боковой поверхности кроме сил трения появляется дополнительный нормальный отпор грунта при вертикальной нагрузке. С целью проверки наличия такого эффекта у буронабивных конических свай при их нагружении разработаны три типоразмера таких свай [18]. Диаметры голов свай были приняты
dг = 0,4; 0,5; 0,6 м. Минимальный диаметр у острия для всех свай был принят dо= 0,2 м. При длине свай 4,5 м и принятых параметрах сечений конусность свай составила соответственно α = 1о… 2,5о. Буквенные обозначения свай были приняты по их наименованию – БКС (буронабивные конические сваи). Цифровые обозначения свай приняты по их длине в м, диаметру головы и нижнего торца у острия в сантиметрах, например, – БКС- 4,5-40/20 (длина сваи 4,5 м, голова 40 см, нижний торец у острия 20 см).

Методы и конструкции. С целью изучения взаимодействия буронабивных конических свай заданных параметров с грунтом основания были проведены модельные [18] и натурные [19].  испытания на действие различных видов нагрузок, которые показали их эффективность. Дополнительно на экспериментальном полигоне [19] проведены исследования по распределению усилий по длине ствола и по боковой поверхности свай при статических вдавливающих нагрузках.

Известен ряд конструкций применяемых приборов и оборудования для измерений и деформаций конструкций в грунтах [20], но оптимальными для исследований конкретно буронабивных конических свай являются тензодинамометры, устройство которых приведено в работе [21] и мессдозы конструкции ЦНИИСК [22]. Поэтому предпочтение было отдано тензометрическому методу исследований, как одному из наиболее точных и надёжных [23].

Исследования проводились на четырёх буронабивных конических сваях, оснащённых тензометрическим оборудованием. В сваях БКС- 4,5-40/20 с углом конусности α = 1о20ʹ и БКС-4,5-60/20 с углом конусности α = 2о40ʹ были установлены по четыре тензодинамометра. В таких же сваях БКС-4,5-40/20 и БКС-4,5-60/20 – по десять мессдоз (по пять с каждой из диагонально противоположных сторон по высоте). Грунт основания исследуемых свай на экспериментальном полигоне однородный – твёрдая супесь с объёмной массой ρ = 1,82 т/м3, углом внутреннего трения
φ = 22о и модулем деформации Е = 18 МПа.

В статье приводятся результаты полевых испытаний натурных буронабивных конических свай БКС-4,5-40/20 и БКС-4,5-60/20, оснащённых тензометрическим оборудованием, на действие вертикальной вдавливающей нагрузки по ГОСТ 5686-2012. Несущая способность свай определялась по графикам зависимости «нагрузка-осадка» согласно СП 24.13330.2011 и СП 22.13330.2011. После каждой ступени нагружения свай снимались показания мессдоз, а также тензодинамометров, и по ним строились эпюры распределения усилий в сечениях по стволу и контактных напряжений по боковой поверхности свай. 

Основная часть. Эпюры распределения усилий Fi в сечениях буронабивных конических свай, полученные по показаниям тензодинамометров, приведены на рис. 1, рис. 2. Очертание эпюр распределения усилий – криволинейное. Как видно из рисунков, основная нагрузка воспринималась верхними расширенными частями свай и уменьшалась по стволу сверху вниз. Торец у острия сваи БКС-4,5-40/20 вступал в работу сразу же при первой ступени нагрузки 12,5 кН, его сопротивление составляло 29 % от нагрузки. При дальнейшем нагружении сваи доля сопротивления торца у острия уменьшалась до 22 % при нагрузке 125 кН, и затем вновь возрастала до 24,5 % при нагрузке 200 кН.

Рис. 1. Эпюры распределения усилий Fi в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-40/20, оснащённой
тензодинамометрами, при различных
 ступенях нагружения

Рис. 2. Эпюры распределения усилия Fi
в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-60/20,
оснащённой тензодинамометрами, при различных ступенях нагружения

У сваи БКС-4,5-60/20 нижний торец у острия вступал в работу лишь после приложения второй ступени нагружения в 100 кН, достигая сопротивления при этом 12 % от величины ступени. Затем сопротивление постепенно нарастало до
19 % при ступенях нагружения до 500 кН и оставалось практически неизменным в пределах
18… 19 % при нагрузках 600…800 кН.

Эпюры распределения нормальных напряжений Ϭi в сечениях сваи БКС-4,5-40/20 приведены на рис. 3, а сваи С-4,5-60/20 – на рис 4. Значения для построения эпюр распределения напряжения в сечениях сваи Ϭi вычислялись по формуле

Ϭi = Fi / πri2 ,                      (1)

где Fi – нагрузка в i-ом сечении сваи с тензодинамометром при определённой ступени нагружения, кН; ri – радиус рассматриваемого сечения сваи, м.

 

Рис. 3. Эпюры распределения нормального напряжения Ϭi в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-40/20,
оснащённой тензодинамометрами,
при различных ступенях нагружения

 

Рис. 4. Эпюры распределения нормального напряжения Ϭi в сечениях по стволу сваи БКС-4,5-60/20,
оснащённой тензодинамометрами,
при различных ступенях нагружения

У сваи БКС-4,5-40/20 нормальное напряжение по длине стола в целом распределялось равномерно, несколько уменьшаясь к острию (рис. 3). Максимальное значение Ϭi = 1,622 МПа достигалось на глубине 1 м и 3 м на последней приложенной ступени нагрузки в 200 кН. У сваи БКС-4,5–60/20 наоборот, напряжение у острия постоянно увеличивалось (рис. 4), достигая наибольшей величины Ϭi = 4,320 МПа при ступени нагрузки в 800 кН.

Эпюры нормального отпора грунта fiотп по наклонной боковой поверхности свай, построенные по данным измерений напряжений мессдозами, приведены на рис. 5 б, 6 б. Удельные силы трения fi по стволу сваи (рис. 5 в, 6 в) вычислялись по формуле 

,                 (2)

где Fi , Fi+1 – показания тензодинамометра (продольные силы) в участках торцов ствола сваи, кН; di , di+1 – диметры торцов участков ствола сваи, м; li – длина образующей конусного участка ствола сваи между сечениями с тензодинамометрами, м;  fiотп – показания мессдоз на соответствующей глубине (в середине каждого рассматриваемого участка), МПа.

Суммарное напряжение на боковой поверхности конической сваи (fi + fiотп) равнялось сумме эпюр нормальных и касательных составляющих сил сопротивления (рис. 5 а, рис. 6 а).

Анализируя результаты полученных измерений, можно отметить, что в верхней части сваи силы отпора f отп проявились сразу же на первых ступенях нагружения. По мере увеличения нагрузки максимальные значения сил отпора снижались. В нижней части сваи силы отпора, имея малую величину на начальной стадии нагружения, с ростом нагрузки и при осадке сваи на 20-25 мм увеличивались, достигая своего максимума на последней ступени нагружения. Для сваи БКС-4,5-40/20 максимальное значение f отп = 0,025 МПа, а для сваи БКС-4,5-60/20 оно равно
f отп = 0,109 МПа (рис. 5 б, рис. 6 б). Резкое увеличение сил отпора в нижней части сваи можно объяснить выпором грунта из-под её острия.

Характер эпюр касательных напряжений несколько отличается от характера эпюр нормальных напряжений. На первых ступенях касательные напряжения fi также проявлялись в основном в верхней части свай. Затем трансформировались и становились практическими постоянными по всей длине ствола, немного увеличиваясь у острия. У сваи БКС-4,5-40/20 удельные силы трения при осадке сваи на 24 мм составили 0,028 МПа, у сваи БКС-4,5-60/20 соответственно 0,045 МПа (рис. 5 в, рис. 6 в) Отсюда можно сделать вывод, что у конических буронабивных свай силы трения по боковой поверхности зависят от величины обжатия грунта (уплотнения), окружающего сваю, при осадке сваи. Чем больше угол конусности у сваи, тем значительнее проявляются силы трения по боковой поверхности.

Суммарные эпюры напряжений на контакте «свая-грунт» близки по виду к эпюрам нормальных напряжений, то есть в формировании сопротивления свай по боковой поверхности превалирующая роль отводится нормальным силам отпора грунта. Естественно, что числовые значения распределения усилий в сечении сваи, отпора и сил трения по боковой поверхности сваи БКС-4,5-50/20 займут место в интервале между выявленными значениями этих величин для свай БКС-4,5-40/20 и БКС-4,5-60/20.

Результаты исследований показали, что несущая способность свай Fобщ на последних ступенях нагружения в основном определяется отпором грунта по наклонной боковой поверхности Fотп (табл. 1). Соотношение между сопротивлением грунта по боковой поверхности и у острия конической сваи при различных ступенях нагружения можно проследить на совмещённых графиках. В начальной стадии нагружения сваи БКС-4,5-40/20 до нагрузки в 100 кН отмечалось интенсивное увеличение сил трения по боковой поверхности (рис. 7, кривые 5, 7). С увеличением нагрузки несущая способность за счёт сил трения и сцепления исчерпывалась при осадке сваи на 15–20 мм.

В то же время возрастал отпор грунта, на который при нагрузке в 100 кН приходилось 24 %, и в 150 кН – 30 % от общей нагрузки (рис. 7 кривые 4, 8). Сопротивление у острия на всех этапах нагружения можно принять возрастающим прямо пропорционально нагрузке, оно не превышает 30 % (рис. 7 кривые 3, 6). Характерно, что силы трения по боковой поверхности (рис. 7 кривая 5) резко отличаются от сопротивления выдёргивающей нагрузке (рис. 7 кривая 2), то есть кривая 2 характеризует не силу трения при выдёргивании, а усилия отрыва сваи от грунта.

У сваи БКС-4,5-60/20 на первых ступенях нагрузки (100-200 кН) превалирующее значение имели также силы трения по боковой поверхности (рис. 8, кривые 5, 7). При ступени в 50 кН вся нагрузка воспринималась только боковой поверхностью, так как осадка составляла лишь 0,2 мм при которой нижний конец у острия в работу ещё не включился. При нагрузке в 200 кН основная роль уже отводилась силам отпора. Так при нагрузках в 400, 600, 800 кН на силы отпора приходилось 37, 51, 57 % от них соответственно. Нижний конец сваи у острия при различных ступенях нагружения воспринимал 17–25 % от нагрузки, то есть несколько меньше, чем у сваи БКС-4,5-40/20.

Сопротивление трению резко уменьшалось при осадке сваи БКС-4,5-60/20 на 10–15 мм, однако оно полностью не мобилизовывалось и продолжало незначительно увеличиваться и при осадках на 20...24 мм. Это явление вполне закономерно и его можно объяснить тем, что мобилизация сил трения у конических свай происходит в условиях постоянно увеличивающегося нормального напряжения. Поэтому силы трения растут даже при проскальзывании сваи относительно грунта основания. У сваи БКС-4,5-40/20 это явление менее заметно, так как она имеет небольшой угол конусности.

Рис. 5. Эпюры контактных напряжений на боковой поверхности сваи БКС-4,5-40/20, оснащённой
мессдозами, при различных ступенях нагружения:
а – суммарное напряжение; б – нормальный отпор грунта fiотп; в – касательное напряжение fi от сил трения

Рис. 6. Эпюры контактных напряжений на боковой поверхности сваи БКС-4,5-60/20, оснащённой мессдозами, при различных ступенях нагружения: а – суммарное напряжение; б – нормальный отпор грунта fiотп;
в – касательное напряжение
fi от сил трения

Таблица 1

Сопротивление буронабивных конических свай в зависимости от их осадки

Нагрузка на сваю Fобщ, кН

Осадка сваи

S, мм

Сопротивление, кН

Fотп / Fобщ

Fостр

Fтрен

Fотп

Свая БКС-4,5-50/20

12,5

0,96

5

7

0,5

0,05

25

1,94

7

16

2

0,08

50

3,13

14

29

7

0,14

75

6,50

19

41

15

0,20

100

7,48

24

52

24

0,24

125

10,11

28

60

37

0,30

150

19,72

34

63

53

0,35

175

26,47

40

65

70

0,4

200

39,05

49

68

83

0,42

225

51,33

57

70

98

0,44

250

75,88

67

71

112

0,45

Свая БКС-4,5-60/20

50

0,41

-

40

5

0,1

100

0,95

25

62

13

0,13

200

3,08

47

112

41

0,21

300

6,20

62

156

82

0,27

400

10,41

75

175

150

0,38

500

16,50

86

190

224

0,45

600

25,26

103

193

304

0,51

700

40,03

122

203

375

0,54

800

62,59

146

206

448

0,56

900

108,20

154

208

538

0,60

 

Данные о распределении общего сопротивления исследуемых буронабивных конических свай на составляющие при осадке на 24 мм сведенцы в табл. 2. Несущая способность принята осреднённой для каждой из двух исследованных типоразмеров свай. Приведенные данные показывают, что у сваи БКС-4,5-40/20 доля острия в общей несущей способности составляет 23 %, трения – 43 %, отпора – 34 %. У сваи БКС-4,5-60/20 распределение несколько иное – на острие приходится – 17 %, трение – 34 %, отпор – 49 %.

Таблица 2

Результаты разделения сопротивления сваи при вдавливающей нагрузке на составляющие
по боковой поверхности ствола и под нижним торцом (остриём)

Марка сваи

Сопротивление сваи, кН

Fостр/ Fобщ

Fтрен/ Fобщ

Fотп/Fобщ

Fобщ

Fостр

Fтрен

Fотп

БКС-4,5-40/20

183

45

76

62

0,23

0,43

34

БКС-4,5-60/20

570

98

192

280

0,17

0,34

0,49

 

Рис. 7. Результаты исследований работы сваи БКС-4,5-40/20 при различных ступенях нагружения.
График зависимостей: 1 – нагрузка – осадка сваи; 2 – нагрузка-выход сваи из грунта; 3 – осадка-сопротивление острия; 4 – осадка-отпор грунта; 5 – осадка-трение по стволу; 6 – нагрузка-сопротивление под остриём;
7 – нагрузка-сопротивление трения; 8 – нагрузка-сопротивление отпора.

Рис. 8. Результаты исследований работы сваи БКС-4,5-60/20 при различных ступенях нагружения.
График зависимостей: 1 – нагрузка – осадка сваи; 2 – нагрузка-выход сваи из грунта; 3 – осадка-сопротивление острия;  4 – осадка-отпор грунта; 5 – осадка-трение по стволу; 6 – нагрузка-сопротивление под остриём;
 7 – нагрузка-сопротивление трения; 8 – нагрузка-сопротивление отпора

Выводы:

  1. Проведенные тензометрические исследования работы натурных буронабивных конических свай позволили выявить, что в их несущей способности в значительной мере участвуют дополнительные силы нормального отпора грунта по наклонной боковой поверхности при её осадке под нагрузкой. Доля отпора грунта, в зависимости от угла конусности, составляет 34–49 % от общей несущей способности, сопротивление у острия – 17–23 %, трения по боковой поверхности ствола – 34–43 %. Этот вывод указывает на эффективность придания стволам буронабивных свай длиной до 5 м даже незначительной конусности в пределах 1,5о… 3,0 о.
  2. Полученные результаты могут быть использованы для разработки методики расчёта несущей способности буронабивных конических свай, а также дают основания на дальнейшее продолжение исследований работы рассматриваемой конструкции в составе ленточных свайных фундаментов и фундаментов из кустов свай.
Список литературы

1. Дмоховский В.К. Курс оснований и фундаментов. Учебное пособие. М-Л.: Государственное издательство, 1927. 357 с.

2. Соколов Н.М. Руководство по изготовлению набивных частотрамбованных свай. М.: Госстройиздат, 1956. 48 с.

3. Дорошкевич Н.М., Клейн Г.К., Смиренкин П.П. Основания и фундаменты. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1972. 256 с.

4. Веселов В.А. Проектирование оснований и фундаментов. Учебное пособие. М.: Стройиздат, 1978. 215 с.

5. Денисов О.Г. Основания и фундаменты промышленных и гражданских зданий. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1968. 375 с.

6. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1981. 319 с.

7. Тетиор А.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для Урала и Тюменской области. Сверждловск: Средне-Уральское книжное издательство, 1971. 197 с.

8. Мангушев Р.А, Ершов А.В., Осокин А.И. Современные свайные технологии. Учебное пособие. М.: Изд-во АСВ, 2010. 240 с.

9. Гнатюк В.И., Филппов К.Г. Влияние уширений ствола буронабивных свай на повышение их удельной несущей способности. Тезисы докладов научно-практической конференции «Прогрессивные конструкции фундаментов и методы производства работ по их устройству. Оренбург: Изд-во «Южный Урал», 1986. С. 51–53.

10. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Стройиздат, 1988. 287 с.

11. Рекомендации по применению буроинъекционных свай. М.: Изд-во НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 1984. 52 с.

12. Отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.2.016-2011. Методические рекомендации по проектированию и устройству буронабивных свай повышенной несущей способности по грунту. М.: Изд-во Росавтодор, 1993. 49 с.

13. Глушков А.В., Хинкалин Л.А., Соколов Н.С., Глушков И.В., Сергеев С.А. Исследование работы буронабивных свай с термохимическим уширением в основании // Современные наукоёмких технологии, 2018. № 6. С. 55–61.

14. Технические рекомендации ТР 50-180-06. Проектирование и устройство свайных фундаментов, выполняемых по разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности (сваи РИТ). М.: Изд-во НИИМосстрой, 2006. 54 с.

15. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъеционных свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28–32.

16. Моисеев Ю.Н. Выбор рациональных технологических схем устройства набивных конических свай в выштампованном ложе // Тезисы докладов областной научно-практической конференции «Эффективные конструкции фундаментов для промышленного и гражданского строительства в грунтовых условиях Оренбургской области. Оренбург: Изд-во «Южный Урал», 1984. С. 12–13.

17. Бойко Н.В., Кадыров А.С., Харченко В.В., Щелконогов В.Н. Технология, организация и комплексная механизация свайных работ. М.: Стройиздат, 1985. 303 с.

18. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Разработка конструкций буронабивных конических свай // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2017.№ 2. С. 68–72.

19. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Анализ результатов натурных испытаний буронабивных конических свай на действие различных видов нагрузок // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2018. № 8 . С. 48–54.

20. Голли А.В. Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах. Учебное пособие. Л.: Изд-во ЛИСИ, 1984. 53 с.

21. Фремке А.В. Электрические измерения. М.: Энергия, 1973. 424 с.

22. Баранов Д.С. Руководство по применению прямого метода измерения давлений в сыпучих средах и грунтах. М.: Изд-во ЦНИИСК, 1965. 147 с.

23. Рыбникова И.А., Рыбников А.М. Методика подготовки тензометрических исследований работы буронабивных конических свай // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова, 2019. № 2. С. 55–61.


Войти или Создать
* Забыли пароль?