Методическое пособие 798

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.154

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА

ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОНТРОЛИРУЕМОГО УШИРЕНИЯ НА КОНЦЕ БУРОИНЪЕКЦИОННОЙ СВАИ

М. А. Самохвалов1, Ю. В. Зазуля2, М. Д. Кайгородов3

Тюменский индустриальный университет 1, 2, 3 Россия, г. Тюмень

1Канд. техн. наук, доц. кафедры геотехники, тел.: +7-919-943-13-79, e-mail: 89199431379@yandex.ru

2Канд. техн. наук, доц. кафедры строительного производства

3Аспирант кафедры геотехники

Постановка задачи. Проанализированы результаты полевых исследований взаимодействия свай с глинистым грунтом основания, связанные с изучением радиуса уплотненной зоны, вертикальных перемещений грунтового массива в зоне контролируемого уширения и изменения его начального напряженного состояния.

Результаты. Сконструирована свая, имеющая на конце уширение, в виде мембраны-стакана. В ходе статических испытаний было установлено, что контролируемое уширение на конце сваи увеличивает ее несущую способность в среднем в 2 раза за счет изменения начального напряженного состояния грунтового массива в зоне уширения. По результатам полевых исследований взаимодействия свай с глинистым грунтовым основанием был определен радиус уплотненной зоны, вертикальные перемещения грунтового массива в зоне контролируемого уширения и изменение его начального напряженного состояния.

Выводы. Данные полевых экспериментов показали целесообразность формирования контролируемого уширения на конце буроинъекционной сваи путем инъекции раствора в мембрану-стакан. Исследования показали существенное улучшение характеристик грунтов после образования уширения на конце сваи.

Ключевые слова: буроинъекционная свая, контролируемое уширение, пылевато-глинистые грунты, статические испытания, напряженно-деформированное состояние.

Введение. На сегодняшний день в Российской Федерации существует большое количество зданий и сооружений (в том числе объектов культурного наследия), нуждающихся в реконструкции, реставрации и модернизации в соответствии с современными требованиями, которые регламентируют освоение подземного пространства таких зданий с целью размещения в них объектов социальной и инженерной инфраструктуры. Все они, как правило, расположены в стесненных условиях центральной части городской застройки, в сложных инже- нерно-геологических и гидрогеологических условиях, в основании которых залегают пыле- вато-глинистых грунты. Проведя сравнительный анализ существующих инженерных решений [3, 4, 6, 7], авторы разработали новый способ устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением (рис. 1) [5].

© Самохвалов М. А., Зазуля Ю. В., Кайгородов М. Д., 2017

11

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 1. Схема устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением:

I — бурение скважины; II — монтаж трубы-инъектора, подача пакера в первую зонуинъекционных отверстий;

III — процесс инъекции раствора

Новый способ сочетает в себе достоинства свайных и инъекционных способов усиления фундаментов и искусственного улучшения строительных свойств грунтового основания путем формирования контролируемого уширения, прогнозируемых геометрических параметров на конце сваи, а также армирования околосвайного грунтового массива гидроразрывами из затвердевшего раствора и его уплотнения между этими разрывами в процессе консолидации. Формирование контролируемого уширения осуществлялось в процессе инъекции раствора в мембрану-стакан, герметично закрепленную на нижнем конце трубы-инъектора [8].

Для изучения напряженно-деформированного состояния грунтового массива уплотненной зоны при формировании контролируемого уширения были выполнены полевые исследования, основными задачами которых являлось:

1.Определение изменения начального напряженного состояния грунтового массива уплотненной зоны при формировании контролируемого уширения объемом 30 и 40 л, а также его частичного сохранения в виде остаточных напряжений после прекращения инъекции раствора;

2.Анализ результатов статических испытаний буроинъекционных свай с контролируемым уширением и свай без уширения c построением графиков зависимости осадки свай от нагрузки.

Полевые исследования проходили на строительной площадке в г. Тюмени, физикомеханические характеристики грунтов которой приведены в табл.

1. Определение напряжений уплотненной зоны на конце буроинъекционной сваи.

Напряженно-деформированное состояние грунтового массива уплотненной зоны при формировании контролируемого уширения фиксировалось при помощи винтовых глубинных марок и мембранных тензометрических мессдоз [6] (рис. 2).

По показаниям глубинных мессдоз на монитор компьютера были выведены графики изменения нормальных напряжений грунтового массива до и после инъекции раствора в мембрану-стакан (рис. 3—4).

12

Рис. 2. Схема расположения глубинных марок и мессдоз

Рис. 3. Графики распределения напряжений во время инъекции раствора в мембрану-стакан: а) формирование контролируемого уширения объемом 40 л; б) 30 л

Все три графика почти синхронно показывают динамику изменения напряжений при формировании контролируемого уширения в грунтовом массиве. Инъекция раствора в мем- брану-стакан осуществлялась в три этапа с технологическими паузами по 1 мин со следующими целями:

предупреждение образования дефектов (порыва стенки мембраны) при инъекции сразу всего объема раствора в мембрану-стакан;

13

Научный журнал строительства и архитектуры

измерение релаксации мгновенных напряжений упруго-пластичного состояния грунтового массива;

измерение остаточных мгновенных напряжений упруго-пластичного состояния грунтового массива.

После формирования контролируемого уширения на конце сваи наряду с образованием уплотненной зоны грунтового массива происходит изменение начального напряженного состояния (появляются избыточные напряжения), часть которого (в среднем до 43 %) сохраняется в пределах уплотненной зоны грунтового массива в виде остаточных напряжений. Практически линейный характер графиков распределения напряжений на 3-м этапе инъекции свидетельствует о том, что выбираются остаточные пластические деформации в уплотненной зоне. Релаксация напряжений в водонасыщенном грунтовом массиве происходит за счет рассеивания избыточного порового давления в процессе фильтрационной консолидации пылевато-глинистого грунта.

Рис. 4. Графики релаксации напряжений после инъекции раствора в мембрану-стакан

вуплотненной зоне контролируемого уширения:

1— на расстоянии 10 см от прогнозируемого диаметра уширения; 2 — 20 см; 3 — 30 см

2.Результаты статических испытаний буроинъкционной сваи с контролируемым уширением. Для сравнения работы буроинъекционных свай с контролируемым уширением объемом 30—40 л и свай без уширения были проведены статические испытания в соответствии с методикой ГОСТ [1], по результатам которых были построены графики зависимости осадки свай от нагрузки с гистограммой сравнения по удельной несущей способности (рис. 5).

Плавные кривые графиков «ПК3» и «ПК4» характеризуют медленное возрастание осадок с двумя характерными участками: участком линейной работы, соответствующей нагрузке до 30—40 кН (VI—VIII), и участком упругопластической работы, соответствующей нагрузке до 50—70 кН (V—VII). При нагрузке, равной в среднем половине несущей способности свай с контролируемыми уширениями Fd / 2 до 30кН (VI), общая осадка не превышала значения 2 мм, что особенно важно при производстве работ по усилению фундаментов в условиях реконструкции.

14

Рис. 5. Графики зависимости s = f(p)

с гистограммой сравнения по удельной несущей способности

Рис. 6. Геометрические параметры уширений: а) объемом 30 л; б) 40 л

15

Научный журнал строительства и архитектуры

Также следует отметить, что кривые разгрузки свай «ПК3» и «ПК4» (выгнутые линии) отличаются от стандартной формы разгрузки сваи [2] без уширения «П1» (вогнутая линия) и характеризуются максимальным углом наклона в начальный момент времени, величина упругого выхода составляет до 27 % от полной осадки. Также было установлено, что несущая способность сваи с учетом работы ствола практически линейно зависит от объема уширения, которое увеличивает ее значение до 2-х раз. Гидроразрывы повторной инъекции увеличивают несущую способность сваи с уширением на 35—40 %.

Для определения геометрических параметров уширений производилась их экскавация

(рис. 6):

-уширение объемом 30 л: d = 340—360 мм, h = 410—430 мм, d/h = 0,8;

-уширение объемом 40 л: d = 370—390 мм, h = 510—530 мм, d/h = 0,7.

Выводы

1.После формирования контролируемого уширения на конце сваи (в отличие от других способов получения уширения) образуется уплотненная зона грунтового массива со средним радиусом распространения 0,4—0,6 м от трубы-инъектора и существенным изменением физико-механических характеристик: плотность увеличивается в среднем на 25 %; влажность уменьшается на 37 %; модуль деформации увеличивается на 64 %; с сохранением измененного начального напряженного состояния (остаточных напряжений) до 43 % и линейным характером их распределения.

2.График работы свай с уширением при действии статической вдавливающей нагрузки имеет начальную линейную и нелинейную (упругопластическую) зону деформирования. При начальных ступенях разгрузки происходит активный рост возвратных деформаций, характер которого принципиально отличается от графика разгрузки обычных свай и объясняется влиянием остаточных напряжений в грунтовом массиве при формировании контролируемого уширения.

3.По результатам статических испытаний было установлено, что контролируемое уширение на конце сваи увеличивает ее несущую способность в среднем в 2 раза за счет изменения начального напряженного состояния грунтового массива в зоне уширения.

Таким образом, при нагружении фундамента деформации основания будут развиваться

вупруго-линейной стадии и осадка будет минимальной, что очень важно при выполнении работ по усилению фундаментов в условиях реконструкции.

Библиографический список

1.ГОСТ 5686-2012. Грунты. Методы полевых испытаний свай. — М.: Минстрой, 1994. — 48 с.

2. Конюшков, В. В. Оценка несущей способности буроинъекционных свай / В. В. Конюшков, В. М. Улицкий // Вестник гражданских инженеров. — 2007. — № 7. — С. 52—57.

3.Леденев, В. В. Распределение горизонтальных напряжений в грунте от действия нагрузки на фундамент / В. В. Леденев, М. А. Чуканов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. — № 3. — С. 9—17.

4.Мангушев, Р. А. Методика составления геотехнических карт с учетом рекомендаций по выбору оп-

тимальных типов фундаментов для зданий с подземным пространством (на примере г. Хошимина) / Р. А. Мангушев, К. Х. Нгуен // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2008. —

№3. — С. 29—35.

5.Пат. 2522358 Российская Федерация. Способ изготовления буроинъекционной сваи с контролируемым уширением / Я. А. Пронозин, Ю. В. Зазуля, М. А. Самохвалов // Бюл. № 19.

6.Петрухин, В. П. Новые способы геотехнического проектирования и строительства / В. П. Петрухин, О. А. Шулятьев, О. А. Мозгачева. — М.: АСВ, 2015. — 224 с.

7.Пронозин Я. А. Опыт совместного применения инъекционных свай и кессона при устройстве подземного этажа здания историко-культурного наследия в г. Тобольске [Электронный ресурс] / Я. А. Пронозин, Ю. В. Зазуля, Р. В. Мельников, М. А. Степанов // Современные проблемы науки и образования. — 2013. — №3. — Режим доступа: www.science-education.ru/109-9206.

16

8. Пронозин, Я. А. Результаты лабораторных и полевых исследований изготовления буроинъекционной сваи с контролируемым уширением / Я. А. Пронозин, М. А. Самохвалов, Д. В. Рачков // Промышленное и гражданское строительство. — 2014. — № 3. — С. 56—60.

References

1.GOST 5686-2012. Grunty. Metodypolevykh ispytanii svai. — M.: Minstroi, 1994. — 48 s.

2. Konyushkov, V. V. Otsenka nesushchei sposobnosti buroinˈektsionnykh svai / V. V. Konyushkov,

V.M. Ulitskii // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. — 2007. — № 7. — S. 52—57.

3.Ledenev, V. V. Raspredelenie gorizontal'nykh napryazhenii v grunte ot deistviya nagruzki na fundament / V. V. Ledenev, M. A. Chukanov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — № 3. — S. 9—17.

4.Mangushev, R. A. Metodika sostavleniya geotekhnicheskikh kart s uchetom rekomendatsii po vyboru optimal'nykh tipov fundamentov dlya zdanii s podzemnym prostranstvom (na primere g. Khoshimina) / R. A. Mangushev, K. Kh. Nguen // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2008. — № 3. — S. 29—35.

5.Pat. 2522358 Rossiiskaya Federatsiya. Sposob izgotovleniya buroinˈektsionnoi svai s kontroliruemym ushireniem / Ya. A. Pronozin, Yu. V. Zazulya, M. A. Samokhvalov // Byul. № 19.

6.Petrukhin, V. P. Novye sposoby geotekhnicheskogo proektirovaniya i stroitel'stva / V. P. Petrukhin,

O.A. Shulyat'ev, O. A. Mozgacheva. — M.: ASV, 2015. —224 s.

7.Pronozin Ya. A. Opyt sovmestnogo primeneniya inˈektsionnykh svai i kessona pri ustroistve podzemnogo etazha zdaniya istoriko-kul'turnogo naslediya v g. Tobol'ske [Elektronnyi resurs] / Ya. A. Pronozin, Yu. V. Zazulya, R. V. Mel'nikov, M. A. Stepanov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. — 2013. — № 3. — Rezhim dostupa: www.science-education.ru/109-9206.

8.Pronozin, Ya. A. Rezul'taty laboratornykh i polevykh issledovanii izgotovleniya buroinˈektsionnoi svai s kontroliruemym ushireniem / Ya. A. Pronozin, M. A. Samokhvalov, D. V. Rachkov // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. — 2014. — № 3. — S. 56—60.

RESULTS OF A STUDY OF STRESS-STRAIN STATE

OF THE SOIL MASS AROUND THE RESULTING BROADENING

AT THE END DRILL-INJECTION PILE

M. A. Samoxvalov1, Yu. V. Zazulya2, M. D. Kajgorodov3

Tyumen' Industrial University 1, 2, 3

Russia, Tyumen’

1PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Geotechnics, tel.: +7-919-943-13-79, e-mail:89199431379@yandex.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Construction Industry

3PhD student of the Dept. of Geotechnics

Statement of the problem. The article provides an analysis of the results of full-scale test in actual field conditions of the interaction of piles with the clayous soil foundation associated with the research of the radius of the consolidated zone, vertical deformations of the soil mass around the zone of widening and changes its initial state of stress.

Results. A pile having at its end a broadening in the form of a membrane cup was designed. Static studies showed that a controlled broadening at the end of the pile on average causes a two-fold increase in the load-carrying capacity of the soil mass in the area of the broadening. According to the results of the fieldwork to investigate the interaction of piles with a clayous soil foundation, the radius of the compacted area, vertical displacements of the soil mass in the area of the broadening and changes of its initial stress-strain state were determined.

Conclusions. The fieldwork data have shown the feasibility of a controlled broadening in the form of a membrane cup at the end of drill-injection pile. Studies have shown a significant improvement in the characteristics of the soil after the formation of the broadening at the end of the pile.

Keywords: drill-injection pile, controlled broadening, weak claysoils, static testing, stress-strain state.

17

Научный журнал строительства и архитектуры

УДК 624.151.5

РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ПЕРЕКРЕСТНО-БАЛОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА СКЛОНАХ НА ОСНОВЕ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА

А. Б. Барыкин1, И. М. Дьяков2

Академия строительства и архитектуры Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского 1, 2

Россия, г. Симферополь

1Ассистент кафедры геотехники и конструктивных элементов зданий, тел.: +7-978-769-04-91, e-mail: aleksbarykin@yandex.ru

2Канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой геотехники и конструктивных элементов зданий

Постановка задачи. Освоение участков со сложным рельефом для нужд строительства требует совершенствования существующих технологий проектирования и возведения фундаментных конструкций. Одним из главных направлений исследований, ориентированных на развитие и совершенствование методов расчета железобетонных конструкций фундаментов, являются исследования, связанные с использованием диаграмм деформирования бетона. Исследования, учитывающие реальную работуперекрестно-балочных фундаментов на склонах, практически не проводились.

Результаты. Представлен новый подход к расчету нормальных продольных балок перекрестных фундаментов на склонах с учетом фактической диаграммы деформирования бетона сжатой зоны и перераспределения контактных напряжений в основании, позволяющий уточнять существующую методику расчета и определять компоненты напряженно-деформированного состояния фундамента при любом уровне внешней нагрузки.

Выводы. Создана теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная инженерная методика расчета нормальных сечений для ленточных перекрестных фундаментов, лежащих на наклонном основании, с учетом перераспределения контактных напряжений в основании с использованием контактной модели напряженно-деформированного состояния основания с переменным коэффициентом жесткости. Данная методика позволяет наиболее полно учесть особенности взаимодействия перекрестно-балочного фундамента с наклонным основанием, что приводит к наиболее рациональномупроектированию конструкции фундаментов такого типа.

Ключевые слова: склон, перекрестно-балочные фундаменты, кривизна, относительные деформации, жесткость, эпюра напряжений, сжатая зона, прогиб, диаграмма деформирования.

Введение. Строительное освоение участков со сложным рельефом требует новых по своей концепции и технической организации проектных решений, способов подготовки и проведения строительства. Поэтому фундаментные системы в виде взаимно перпендикулярных перекрестных лент для террасных зданий, уложенные на плоско спланированную поверхность склона, имеют большую экономическую эффективность при массовом внедрении в районах со сложными рельефными условиями [7—9]. В этом случае ленты монтируются на наклонное основание и упираются в нижней его части в удерживающую конструкцию, что исключает большие объемы земляных работ, характерные при возведении зданий на склонах традиционными методами [19]. Вместе с тем эффективный инженерный метод расчета таких систем, позволяющий оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) основания и фундамента на всех стадиях их работы, до настоящего времени разработан не был.

Одним из приоритетных направлений исследований, ориентированных на развитие и совершенствование методов расчета железобетонных конструкций фундаментов, являются

© Барыкин А. Б., Дьяков И. М., 2017

18

исследования, связанные с использованием диаграмм деформирования бетона [2—4, 7, 10]. До настоящего времени было выдвинуто немало предложений по учету диаграмм деформирования бетона и арматуры при расчете железобетонных конструкций. Представляют интерес работы [3, 4, 7, 10, 12, 13, 17], в которых на основе использования таких диаграмм усовершенствованы и уточнены расчетные методы, позволяющие оценивать НДС железобетонных элементов на всех стадиях их работы и выявлять перераспределение усилий в сечениях. Вместе с тем форма связи между напряжениями и деформациями в сжатом бетоне в виде рекомендованной нормами диаграммы [1''σb – εb''8] для перекрестно-балочных фундаментов на склонах имеет существенные расхождения с данными эксперимента.

Основной целью работы является разработка инженерной методики расчета нормальных сечений продольных железобетонных балок перекрестного балочного фундамента при использовании экспериментально обоснованной диаграммы деформирования бетона сжатой зоны и перераспределенной эпюры контактных давлений в наклонном основании. Методика определения ординат эпюры контактных напряжений изложена в работе [6].

1. Особенности НДС продольных фундаментных балок. В нормах многих стран за базовую диаграмму НДС бетона сжатой зоны рекомендуется принимать криволинейную диаграмму в виде монотонной функции обратной параболы с ниспадающей ветвью [18].

Однако НДС продольных балок перекрестного фундамента на наклонном основании имеет определенные особенности. Эти особенности обусловлены следующим:

действием продольной сжимающей силы Ntot, направленной вдоль образующей склона, меняющей свою интенсивность по длине балки по мере приближения к удерживающей конструкции;

двухосным напряженным состоянием перекрестья фундаментных балок, вызванным влиянием на напряжения в бетоне сжатой зоны продольных балок потоков нормальных напряжений в балках перпендикулярного направления, выражающимся в том, что разрушение по нормальным сечениям балок происходит при напряжениях, равных 1,2Rb, и существенном увеличении значения предельной деформации вплоть до предельной εbu;

отсутствием в явном виде ниспадающего участка кривой диаграмм ''σb – εb'' деформирования бетона.

Эти данные подтверждаются результатами экспериментов, приведенных в работе [9], а также последующими теоретическими выкладками [4, 7, 17]. Расчеты с использованием кривых, рекомендованные Европейским комитетом по бетону, показали достаточно большие расхождения с результатами эксперимента.

Таким образом, учитывая особенности НДС перекрестно-балочного фундамента, необходимо уточнить форму связи между напряжениями и деформациями в сжатом бетоне,

т. е. установить вид диаграммы ''σb – εb''. Для этого был проведен анализ диаграмм ''σb – εb'' для бетона сжатой зоны продольных балок перекрестно-балочных фундаментов на склоне и получены усредненные графики зависимости [7].

2. Определение НДС в расчетных сечениях в предельной стадии с учетом совместного действия продольной силы и изгибающего момента от отпора грунта. Рассмотрим нормальные сечения продольной ленты фундамента и усилия, действующие в ней от соответствующих контактных напряжений в грунтовом основании (рис.).

Будем считать, что все усилия действуют только в вертикальной плоскости. Тогда расчет прочности нормальных сечений продольных балок перекрестных фундаментов при действии изгибающих моментов M от отпора грунта p и продольных сил N от действующей внешней нагрузки в деформационной модели будем производить с использованием следующих допущений:

уравнения, которые устанавливают соотношения между деформациями бетона сжатой зоны и растянутой арматуры, формируются исходя из линейного закона распределения, т. е. строятся на основе гипотезы плоских сечений.Растянутый бетон из расчета исключается;

19

Научный журнал строительства и архитектуры

связь между напряжениями σb в сжатом бетоне и его деформациями εb устанавливается исходя из параметров билинейной диаграммы состояния со следующими характеристиками:

где εb,l =KRbn /Ed — максимальные упругие деформации бетона; εb,u — предельные деформации бетона сжатой зоны при внецентренном сжатии; Eb — начальный модуль деформации бетона; K = 0,3 — уровень напряжений, до которого сжатый бетон работает упруго; pl —

коэффициент упругости бетона сжатой зоны при σb =Rbn; β — понижающий коэффициент, учитывающий нелинейный характер работы бетона сжатой зоны для сжато-изогнутых балок фундамента. Для бетонов класса В20—В30 по уточненным данным можно принимать

pl 0,5, β = 0,4.

а)

б)

в)

Рис. Расчетная схема продольной наклонной ленты фундамента:

а) расчетные сечения; б) эпюра изгибающих моментов; в) эпюра нормальных контактных напряжений

20