УДК 624.15 Несуча здатність буронабивних паль з...
TRANSCRIPT
1
УДК 624.15 Канд. техн. наук, професор М.В. Корнієнко, аспірант Д.А. Карпенко
Несуча здатність буронабивних паль з розширенням в лесових
ґрунтах за результатами статичних випробувань
The bearing capacity of bored belled up piles in loessial soils according to the static test results
Подані результати натурних досліджень взаємодії буронабивної палі з розширенням в лесових ґрунтах, які просідають від власної ваги при замочуванні. Визначення несучої здатності буронабивної палі окремо по бічній поверхні та для розширення за даними статичних випробувань. Порівняння отриманих результатів за нормативними вимогами [2]. Наведені рекомендації щодо підвищення ефективності використання буронабивних паль з розширеною п’ятою в лесових просідаючих ґрунтах.
В сучасних умовах залишається важливим питання використання в якості надійних фундаментів на лесових територіях, що мають просідаючі властивості і навіть просідають під дією власної ваги, буронабивних та буроін’єкційних паль, прорізаючих лесову товщу. Норми [1] рекомендують цей підхід, як один із надійних при зведенні багатоповерхових житлових будинків та промислових будівель. Прогноз несучої здатності таких паль повинен робитись з врахуванням можливості пониження сил опору лесового ґрунту при замочуванні та проявленні негативного (привантажуючого) тертя по бічній поверхні. СНиП 2.02.03-85 [2] рекомендує для цього користуватись табличними даними розрахункового опору по бічній поверхні або враховувати питоме зчеплення та кут внутрішнього тертя, що визначені для повного водонасичення ґрунту за показником текучості IL. Проте, такі розрахунки є не дуже точними, на що вказують багато дослідників [7].
З іншого боку, коли несуча здатність паль на лесових територіях забезпечується за рахунок роботи нижнього кінця палі, раціональним стає використання буронабивних паль з розширенням. Не дивлячись на переваги в несучій здатності паль з розширенням, їх використання на практиці є обмеженим, а особливості спільної роботи з ґрунтовим масивом вивчені недостатньо. Тому, існуюча методика розрахунку несучої здатності таких паль є недосконалою. Це пов’язано не тільки зі зміною в часі напружено-деформованого стану (НДС) основи навколо стовбура та розширення, а і з якістю їх виготовлення. Значна зміна величин несучої здатності по ґрунту для паль з розширенням (інколи до 30…50%) в межах будівельного майданчику,
2
призводить до необхідності врахування в якості допустимого занижені значення навантаження на одиночну палю.
Отже, поряд з теоретичними дослідженнями взаємодії таких паль з оточуючим ґрунтом залишається не менш важливим дослідженням впливу на несучу здатність палі з розширенням технологічних факторів, методики випробувань, показників властивостей просідаючих ґрунтів, підстеляючих ґрунтів, оточуючої забудови та ін.
З цією метою був виконаний аналіз випробування паль статичним стискуючим і висмикуючими навантаженнями на одному із майданчиків м. Запоріжжя, проведеним Запорізьким відділенням НДІБК Мінрегіонбуду України за участю одного із авторів.
При випробуванні дослідних паль статичними осьовими стискуючими навантаженнями, для сприйняття висмикуючих (реактивних) зусиль від дії домкрату на палю, були використані анкерні гвинтові палі. Ці палі складалися із забірника діаметром 550мм і подовжувачів діаметром 89мм, які з’єднанні між собою шляхом спеціальних пальців. Закручування анкерних гвинтових паль виконувалося буровою установкою ”АЗА-3” на базі автомобіля ”ЗИЛ-131”.
Навантаження на палі статичним осьовим стискуючим навантаженням передавалось за допомогою 2-х гідравлічних домкратів ДГО-200.
З метою наближення роботи дослідних паль до роботи в натурних умовах, було передбачено водонасичення всієї лесової товщі до Sr >0,8 [4].
Замочування просідаючої товщі ґрунту виконувалось після виготовлення паль до початку і в процесі їх випробувань. Для прискорення процесу замочування ґрунту подача води відбувалася через чотири дренажні свердловини Ø350мм, які об’єднані у верхній частині приямком (див. рис. 1). Дренажні свердловини і приямок засипалися щебенем розміром 24…40мм. В період замочування ґрунту і в процесі всього випробування паль в приямку підтримувався постійний рівень води. Кількість води, яка заливалась в приямок і свердловини, визначалась за допомогою водоміру. Вологість ґрунту додатково контролювалась після випробування паль відбором проб із свердловин, які бурилися на 2м нижче підошви п’яти палі.
Осідання (переміщення) паль при їхньому навантаженні вимірювались за допомогою прогиномірів типу 6ПАО, що встановлювались симетрично відносно дослідної палі на реперні пристрої (з точністю 0,01мм).
На дослідному майданчику лесові просідаючі супіски і суглинки залягають до глибини 20,5м. Лесова товща підстеляється твердими червоно-бурими глинами. Ґрунтові води на період вишукувань та влаштування паль в
3
межах лесової товщі були відсутні. Геологічна будова майданчику на ділянці дослідних паль приведена на рис.2. Фізико-механічні характеристики ґрунтів наведені в табл. 1.
Рис. 1 - Замочування ґрунту навколо палі через дренажні свердловини:
1 - дослідна паля; 2 - гідравлічні домкрати ДГО-200; 3 - перехідна сталева пластина; 4 - джерело замочування; 5 - випробувальний стенд
Ґрунти шарів ІГЕ – 4…..8 проявляють просідаючі властивості при замочуванні від власної ваги і зовнішнього навантаження. За лабораторною оцінкою сумарна величина просідання під дією власної ваги Ssl.g складає 41,8см.
Таблиця 1 - Середні значення фізико - механічних характеристик ґрунтів дослідного майданчику
0.10
0.09
0.05
0.09
0.04
0.12
0.08
0.14
0.18
-
0.21
0.19
0.20
0.20
0.23
0.20
0.23
0.26
-
0.30
0.24
0.29
0.24
0.35
0.28
0.37
0.44
-
Найменуваннягрунту
ІГЕ-2
Показникипластичності,дол. од.
WL
Wp
Природна вологість,
Wдол.
од.
Коефіцієнт порис-
тості, е
дол
. од.
Коефіцієнт водона
-сичення
Sr, дол
. од.
Показниктекучості IL,дол. од.
природної
вологості
при водона
-сиченні
Питома вага
грунту
, кН
/м3
Модульдеформації
грунту Е, МПа Кутвнутріш-ньоготертя, град.
Пито-ме зчеп-лення,
кПа
природної
вологості
водонасиченого
Відносне просідання
при
природному
тиску
,
-
-
0.019
0.033
0.016
0.026
0.031
-
-
23
8
16
7
16
16
31
33
3
18
25
22
24
23
20
19
22
38
-
-
1.7
4
2.7
5
6.6
9
10.4
3.6
33.5
17
28.5
23
21
21.5
19
41
15.33
15.47
16.13
16.57
17.54
18.03
18.64
19.03
18.64
1.63
2.04
1.15
2.37
0.34
0.81
0.21
-0.11
-
-0.56
-2.40
-0.78
-2.75
-0.50
-0.25
-0.14
-0.27
-
0.43
0.23
0.41
0.29
0.60
0.60
0.77
0.82
0.60
1.01
0.83
0.86
0.83
0.77
0.71
0.73
0.70
0.54
0.16
0.07
0.13
0.09
0.17
0.18
0.21
0.21
№ІГЕ
ІГЕ-3
ІГЕ-4
ІГЕ-5
ІГЕ-6
ІГЕ-7
ІГЕ-8
ІГЕ-9
ІГЕ-10
лесовий суглинок
лесовий супісок
лесовий суглинок
лесовий супісок
лесовий суглинок
лесовий супісок
лесовий суглинок
глина
пісок
Початковий тиск
просідання
PкПа
-4317-18-----ІГЕ-11 глина ---- -
ІГЕ-1a насипний грунт - - - - - - - - - - - - -- -
Примітка. Кут внутрішнього тертя та питоме зчеплення приведено для водонасиченого стану ІГЕ-2...8 тапри природній вологості ІГЕ-10
63
123
104
113
154
93
243
-
-
Ip
4
Дослідні палі були виготовлені “сухим” способом за допомогою установки СО-2 і шнекової колонки діаметром 500мм з наступними параметрами: - П-1 і П-2 діаметром стовбура 500мм і розширенням діаметром 1600мм; - П-5 діаметром стовбура 500мм і розширення діаметром 1400мм; - П3 і П-4 діаметром стовбура 500мм.
Низ розширення дослідних паль П-1, П-2 і П-5 виконаний на глибині 22,8м (знаходиться в пісках ІГЕ-10), а низ паль П-3 і П-4 на 16,5м (в ІГЕ-8) від денної поверхні землі, що відповідала розрахунковій глибині проявлення негативного тертя ґрунту.
П-5 П-3, П-4 П-1, П-2
Рис. 2 - Інженерно-геологічна модель просідаючої основи з дослідними палями П-1…П-5
5
Для визначення достовірної несучої здатності дослідних паль в просідаючих ґрунтах, які різко змінюють свої властивості при замочуванні в період експлуатації будівель і споруд, випробування дослідних паль П-3 і П-4 виконувалось на статичне осьове висмикуюче навантаження (з врахуванням виключення ваги паль), як в ґрунтах природної вологості, так і з водонасиченням просідаючого ґрунту (П-3* і П-4*). Випробування паль П-1, П-2 і П-5 на статичне осьове стискуюче навантаження в завчасно-замочених ґрунтах.
Дані статичних випробувань натурних паль на стиск і висмикування приведені на графіках рис. 3 та 4, а результати зведені в табл.2.
Рис. 3 - Графіки залежності S=f(N) за результатами
випробування одиночних паль на стиск (П-1, П-2 та П-5)
Рис. 4 - Графіки залежності h=f(P) за результатами
випробування одиночних паль на висмикування (П-3 та П-4)
6
Таблиця 2 - Результати статичних випробувань натурних паль на статичне стискуюче і висмикуюче осьове навантаження
Дослідна паля
П-1
НомерІГЕ
під ниж-нім кін-цем палі
Глибина
свердловини,
м
Витрата
води,
м3
Статичні випробування паль осьовимстискуючим навантаженням
Максимальне
навантаження
на
палю
, кН
максимальному
навантаженні
розвантаженні
Граничний
опір
палі
, Fu
, кН
Розрахункове допусти-
ме навантаження
на
палю
Np, кН
3970
10,79
16,2740001033918
ІГЕ-8
18
18
16,5
16,5
-
-
347
-
312
-
304
331
Замочування
Тривалість
, діб
10
-
4
-
4
10
4000
3800
17,59
17,83
Осідання,S, мм при
8,25
-
10,99
3883
3651
-
-
- -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
3308
3236
3043
-
-
-
-
Максимальне
навантаження
на
палю
, кН
Несуча здатність
палі
Fd,
вис
., кН
1900
-
-
-
1300*
1800
1300*
Граничнийопір паліFu, вис., кН
(1800)1717
(1200)1117*
(1700)1617
(1200)1117*
-
-
-
1373,6
893,6*
1293,6
983,6*
-
-
-
Розрахункове
навантаження
, що допускається
на
палю
Np.
u, кН
1144,7
744,7*
1078
744,7*
-
-
-
Статичні випробування паль осьовимвисмикуючим навантаженням
П-2
П-3
П-3*
П-4
П-4*
П-5
ІГЕ-8
ІГЕ-8
ІГЕ-8
ІГЕ-10
ІГЕ-10
ІГЕ-10
Переміщення
палі
h, мм,
при
Fu
-
-
-
8,2
11,8*
9,8
12,3*
Примітки 1. В дужках - результати випробувань дослідних паль з врахуванням їх ваги; бездужок - теж, з виключенням ваги палі рівної 83кН.2. Розрахункове допустиме навантаження Np і Npu визначено при умові роботи одиночної палі безврахування особливостей лесової товщі (з коефіцієнтом 1,2).3. * - дослідні палі в замочених грунтах. Величина граничного опору палі на стиск визначалась при граничному
осіданні Su=8см [1] та коефіцієнті переходу ξ=0,2 [2]. Несуча здатність одиночної палі по ґрунту приймалась рівною Fd=Fu [2].
Розрахункове вертикальне навантаження на палю з врахуванням негативного тертя по бічній поверхні в межах зони просідання під дією власної ваги ґрунту визначалось за формулою (32) норм [2]. Величина сил негативного тертя Рn, враховувалась згідно результатів випробування дослідних паль П-3 та П-4 на висмикування. Граничний опір палі на висмикування Fun приймався при величині навантаження, коли розпочиналось “проковзування” палі, тобто приріст деформацій за останню ступінь навантаження був більший в 5 разів, ніж на попередній ступені.
Порівняння величин несучої здатності буронабивних паль з розширеною п’ятою, визначеної розрахунком [2] та при статичних випробуваннях натурних паль на дослідному майданчику з просідаючими ґрунтами від власної ваги приведено в табл.3. На дослідному майданчику розрахункова величина несучої здатності дослідних паль за нормами [2] є значно завищеною, що може вказувати на
7
неточність формули (12) [2] або завищені величини φI для несучого шару піску під п’ятою палі. В той же час, сили тертя по бічній поверхні паль визначені як для пилувато - глинистого ґрунту при Sr=1.0 і IL=1.0, є дуже заниженими порівняно з даними випробувань на висмикування.
Таблиця – 3 Порівняння результатів натурних випробувань паль з розширенням за даними розрахунку нормативних вимог
Номер палі та її параме- три
Сили тертя по бічній поверхні палі в лесовому ґрунті, кН/м Несуча
здатність палі Fd, кН відповідно розд. 4 [2]
Несуча здатність палі за даними статич-них ви-пробу-вань при S=16мм,
Fd, кН
Розрахункове навантаження, допустиме на палю за даними з врахуванням довантажуючих
сил тертя [8.10; (32)]
Розрахунку за СНиП [2]
Статичних випробувань
розділ. 4 [2] Σγcffihi
дані випробувань паль П-3 та П-4 на висмикування
природ ний стан
зволоже-ний стан Pn Pn*
П – 1 l = 23м d=0.5м D=1.6м
956,4 407,1 1617 1117 10333 3970 6616
1190
П – 2 l = 23м d=0.5м D=1.6м
956,4 407,1 1617 1117 10333 3883 6616 1117
П - 5 l = 23м d=0.5м D=1.4м
956,4 407,1 1617 1117 7834 3651 4831 924
Подібні невідповідності розрахованих і реальних величин мають місце і для інших типів паль, в тому числі і для добре досліджених забивних. Проте, для буронабивних паль з розширеною п’ятою, ця невідповідність пов’язана з цілим рядом факторів, що впливають на визначення несучої здатності: величин фізико-механічних властивостей ґрунтів; аналітичних залежностей визначення розрахункового опору ґрунтів основи, що не враховують особливості лесового ґрунту; структурної міцності та ін.
При чисельному моделюванні [6] встановлено, що на величину несучої здатності також впливають зміни ґрунту під розширенням за рахунок ущільнення ґрунту. При цьому показники міцності і деформативності можуть збільшуватись на 10% і більше.
Процес поступової інфільтрації води в грунт і обводнення його діє на палю двояко: з однієї сторони, по мірі надходження води в лесові ґрунти відбувається водонасичення все більшого об’єму ґрунту і все більша частина стовбуру палі піддається дії нависаючого ґрунту. З іншої сторони, по мірі
8
обводнення знижуються сили зчеплення на контакті палі з ґрунтом. Тобто, при замочуванні лесових ґрунтів питоме зчеплення і кут внутрішнього тертя зменшується більш ніж на 10…15%. Проведені статичні випробування, порівняльні розрахунки і аналіз дослідних робіт [7], які були проведені в районах розповсюдження просідаючих ґрунтів (Дніпропетровськ, Запоріжжя, Нікополь та ін.), дозволяють зробити наступні висновки: - буронабинвні палі з розширеною п’ятою при умові прорізання усієї просідаючої товщі відповідають сучасним вимогам фундаментобудування будівель і споруд на просідаючих ґрунтах і мають достатню несучу здатність, яка забезпечує передачу збільшених навантажень від будівель і споруд;
- виконане порівняння отриманих розрахункових величин сил тертя по бічній поверхні палі з експериментальними даними показує, що розбіжність цих величин досягає 50…60%;
- щодо існуючої методики визначення граничного опору за рекомендаціями норм [2], то фактична несуча здатність паль з розширенням в лесових ґрунтах, що просідають від власної ваги на дослідному майданчику була значно вищою. Це резерв в підвищення ефективності використання таких паль.
Представлены результаты натурных исследований взаимодействия буронабивной сваи с уширенной пятой в лессовых грунтах, которые проседают от собственного веса при замачивании. Определение несущей способности буронабивной сваи отдельно по боковой поверхности и для уширения по данным статических испытаний. Сравнение полученных результатов за нормативными требованиями [2]. Приведены рекомендации относительно повышения эффективности использования буронабивных свай с уширенной пятой в лессовых просадочных грунтах.
M.V. Kornienko, D.A. Karpenko
The results of the full-scale test for the bearing capacity of bored belled up piles in subsidence soils that subside due to the dead weight in artificial saturation. The individual determination of bored piles capacity on lateral surface and for the extended base. The comparison of the received results according to the standard requirements [2]. The recommendations in order to increase the efficiency of the bored belled up pile in loessial subsiding soils.
9
Список використаних джерел
1. СНиП 2.02.01–83 Основания зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1985. – 40с.
2. СНиП 2.02.03–85 Свайные фундаменты (зі зміною №1 до СНиП 2.02.03-85 // Будівництво і стандартизація. – 2001. – № 4). – М.: Стройиздат, 1985. – 45с.
3. ДБН В.1.1-5-2000 Частина II. Будинки і споруди на просідаючих ґрунтах // Державний комітет будівництва, архітектури та житлової політики України. Київ, 2000. – 83с.
4. ДСТУ Б В.2.1-1-95 (ГОСТ 5686 – 94). Ґрунти. Методи польових випробувань палями: введ. 01.04.96. – К.: Укрархбудінформ, 1996. – 57с.
5. Руководство по проектированию и устройству фундаментов из буронабивных свай и опор-колонн. НИИСП Госстроя УССР. Киев, 1991 – 154с.
6. Карпенко Д.А. До моделювання напружено-деформованого стану лесової основи буронабвиної палі з розширенням. // Основи і фундаменти: Міжвід. наук.- тех. зб. – Вип. 30. – К.: Будівельник, 2006, с. 47-52.
7. Таланов Г.П., Лычев П.П. Результаты обработки материалов статических испытаний буронабивных свай. – Пром. стро-во и инж. сооружения, 1971. № 2. с.27-28.