Комплексное исследование несущей способности основания взрывофугасных свай

Конструкции свай, изготовленных в грунтовытесненных управляемым действием энергии продуктов взрыва и скважинообразователем скважинах относятся к взрывофугасным [1]. Грунт из объема скважины вытесняется полностью в стороны грунтового массива с одновременным формированием грунтоуплотненного основания сваи. Взрывофугасные сваи являются новым видом свай, поэтому не обеспечены достаточным объективным научным обоснованием. Поэтому создание объективного научного обоснования расчетного исследования и разработка методологий достоверного определения несущей способности оснований взрывофугасных свай являются актуальной проблемой и задачей настоящего исследования. Целью исследования является разработка методики инженерных расчетов несущей способности только боковой поверхности ствола сваи и боковой поверхности ствола сваи с грунтоуплотненным конусом. Экспериментальные исследования проводились на площадке с грунтовыми условиями, представленными мощным слоем элювиальных суглинков полутвердой консистенции. Испытывались в полевых условиях опытные взрывофугасные сваи В-9 длиной 2,8 м и В-2 длиной 3,24 м, диаметром 216 мм [2].Для выключения из работы нижнего конца сваи В-9 под ним предусматривалась полость. После тщательного замера глубины скважины в ней на стержень опускался жестко фиксируемый металлический диск диаметром 210 мм, поверх которого закреплялась резиновая диафрагма диаметром 240 мм. Такая конструкция исключала попадание бетонной смеси в полость под нижним концом сваи.Радиальное давление по контуру сваи при ее изготовлении и загружении измерялось с помощью тензорезисторных преобразователей давлений типа ПДП-70/II конструкции ЦНИИСК, тарировка которых выполнялась дважды – до установки в скважины и после откопки сваи по окончании испытаний. Фиксация по высоте и обеспечение контакта мессдоз с грунтом осуществлялась специальными приспособлениями, устанавливаемыми в штрабах, выполненных на противоположных сторонах скважин по длине свай путем срезки части грунта со стенок шаблоном в виде кольца с ножами. Установка мессдоз выполнялась в кондукторах, состоящих из металлических пластин – держателя и упора, соединенных между собой стержнями на шарнирах. Мес-сдозы были установлены на глубинах 1 м; 1,8 м; 2,6 м. Скважина после ее подготовки заполнялась свободным сбросом бетонной смеси с осадкой конуса 14 см. Статические испытания свай выполнялись по ГОСТ 5686-78* гидравлическим домкратом с упором в грузовую платформу, с построением графиков зависимости осадок от нагрузок взрывофугасных свай.

Давление грунта на боковую поверхность ствола взрывофугасной сваи

В качестве опытной сваи рассматривается взрывофугасная свая В-9. Схема сваи показана на рис. 1. Давления, наблюдаемые по мессдозам, сразу же после укладки бетонной смеси составили соответственно по глубинам измерения 18,7 кПа, 18,4 кПа, 18,2 кПа. После этого в течение одного часа давление снижалось и выравнялось соответ- ственно до 11,5 кПа, 12,4 кПа и 12,1 кПа. Это давление вызывается распором, в первом случае – свежеуложенной бетонной смеси на стенки скважины; во втором случае – удельным давлением скелета инертного заполнителя после оттока воды на процесс гидратации и гелеобразования.

Рис. 1. Схема взрывофугасной сваи В-9:

1, 2, 3 – слои грунтов; М1, М2, М3 – мессдозы;

Ø216 мм – диаметр поперечного сечения железобетонного ствола сваи; Ø224 мм – диаметр грунтоомо-ноличенного ствола сваи; 4 – полость; 5 – свая;

6 – грунтоомоноличеный слой ствола сваи

В течение первых суток, начиная после второго часа, наблюдается рост давлений 20,2 кПа, 14,5 кПа, 12,1 кПа. В дальнейшем рост давления продолжался и на шестые и на восьмые сутки значение составляло 33,1 кПа, 22,0 кПа, 18,2 кПа за счет набухания бетона при твердении. На 18-е сутки давление на глубине одного метра возрастает до 34,6 кПа, на глубине 1,8 м снижается до 15,5 кПа, на глубине 2,6 м снижается до нуля за счет усадки бетона при твердении. По графикам изменения давления при твердении бетона (рис. 2, а–в) можно заключить, что с первых и до восьмых суток бетонная смесь набухает, после шестых и восьмых суток бетон начинает усадку. При этом грунт в верхней мессдозе передает давление структурного сцепления полностью, в средней мессдозе грунт разрывает свое взаимодействие с бетоном и давление на сваю не передается за счет «кольцевого эффекта» обжатия уплотненного грунта. Спустя несколько суток твердения бетона в грунте протекают реологические и релаксационные процессы в результате увлажнения его от бетонной смеси и он, деформируясь, восстанавливает взаимодействие по всему стволу силой структурного сцепления. Поэтому при взятии показателей давления перед нагружением сваи все мессдозы показали значения удельного сцепления грунта естественного состояния: первая – 34,6 кПа, вторая – 27,9 кПа, третья – 24,2 кПа. Изменение давления (рис. 2, г, д) наблюдается на первой глубине при нагружении от 25 кН до 35 кН от 34,6 кПа до 46,1 кПа, на третьей глубине при нагружении от 60 кН до 75 кН от 24,2 кПа до 36,3 кПа.

Рис. 2. Графики взаимного давления бетонной смеси и грунта по контактной боковой поверхности взрывофугасной сваи В-9: а – на глубине 1,0 м; б –1,8 м; в – 2,6 м – и изменения давления: г – на глубине 1,0 м; д – 2,6 м

При критической нагрузке первая мессдоза показала давление 46,1 кПа, вторая – 40,7 кПа, третья – 36,3 кПа. Указанное каждой мессдозой давление представляет собой сумму удельного давления скелета инертных заполнителей через один час после укладки бетонной смеси и давлений перед началом нагружения сваи, т. е. можно считать, что давление при критической нагрузке равняется сумме давления свежеуложенной бетонной смеси через один час после укладки ее в скважину и удельного сцепления грунта естественного состояния. Произведенная откопка опытной сваи после испытаний подтвердила, что в работе участвовала только боковая поверхность ствола сваи, так как под ее нижним концом сохранялся зазор, устроенный при выполнении сваи.

Метод расчета несущей способности боковой поверхности ствола взрывофугасной сваи

Для расчетного определения несущей способности боковых поверхностей взрывофугасной сваи В-9 выбираются уравнения состояний предельных равновесий, в состав которых входят значения предельных сопротивлений грунта по боковым поверхностям при критической нагрузке. Критическая нагрузка на сваю определена экспериментально и составила для взрывофугасной В-9 N = 116 кН при предельной осадке S = 4,3 мм (рис. 3).

Грунты – глины и суглинки, макропористые I типа просадочности, следующей литологии:

1-й слой: h 1 = 1,5 м; с 1 = 34,6кПа; ф 1 = 23 ° ; е 1 = 0,93; у 1 = 17 кН/м³; у _d 1 = 14,4кН/м 3 .

2-й слой: h ₂ = 1,0 м ; с ₂ = 27,9 кПа; ф₂ = 22°; е ₂ = 0,78; у ₂ = 18,5 кН/м³; у _{d 2} = 15,2 кН/м³.

3-й слой: h 3 = 0,64 м; с 3 = 24,2 кПа; ф ₃ = 21 ° ; е 3 = 0,79; у ₃ = 18,8 кН/м³; у _d 3 = 15,3 кН/м³.

Рис. 3. Графики зависимости «нагрузка – осадка» взрывофугасных свай: 1 – свая В-9 (по боковой поверхности ствола сваи); 2 – свая В-2

Схема взрывофугасной сваи В-9 показана на рис. 1. Периметр сложного поперечного сечения ствола сваи U = 712 мм. Приведенный радиус ствола сваи R = U / 2п = 114 мм . Нагрузки на основание сваи: от массы сваи N c = п- R ² 1 у б = 2,82кН; от массы домкрата N d = 0,5 кН; дополнительная внешняя нагрузка N ₀ = 116 кН .

Общая нагрузка на основание сваи N = N ₀ + N c + N d = 119,3 кН.

Несущая способность по расчету:

1-го слоя. F d 1 = A ₁(Аa _d .1 + c 1 +Аа_убЛ) = 60,5 кН . А = h 1 U = 1,0 м² . Аст_у б 1 = 11,5 кПа.

^2-го слоя. F d 2 = ^ 2 (Аст d .2 + c 2 +Аст у б.2 ) = 31,8 кН.

А 2 = h 2 U = 0,5 м². \л . _б 2 = 12,4 кПа

3 -го слоя. F d ₃ = A 3 ( Ас _{d 3} + c ₃ + Аст_{у б 3} ) = 22,1 кН. А ₃ = h 3 U = 0,43 м². Аст_{у б}.₃ = 12,1 кПа.

Общая        несущая        способность

F d = F d 1 + F d 2 + F d 3 = 114,5 кН, что меньше общей нагрузки на основание сваи N = 119,3 кН на 4 %, т. е. результат исследования получился с повышенным расхождением. Расхождение значений эксперимента и расчета указывает на то, что приведенный радиус поперечного сечения ствола сваи следует учитывать с увеличением его значения за счет присоединенного к боковой поверхности некоторого слоя омоноличенного максимально уплотненного грунта. Увеличение значения радиуса омоноличенного грунта, при котором происходит его сдвиг, определяется следующим расчетом [3]:

N = 119,3 кН; F d = 114,5 кН;

А = A 1 + A 2 + A 3 = 1,0 + 0,57 + 0,43 = 2,0 м² .

Из пропорции А -/ F d = AIN , А = A i N / F d = = 2,084 м². Увеличенный периметр за счет омоно-личенного грунта U = A / h = 0,744 м. Радиус увеличенного сечения R = U / 2п = 0,118 м . Увеличенное значение радиуса А R = R - R 1 = 0,004 м = 4 мм .

Проверка. Несущая способность:

1-го слоя. F d 1 = A 1 (c _{d 1} + c 1 + Аст_{у б1} ) = 63,02 кН. А = hU = 1,042 м² .

^2-го слоя. F d 2 = A 2 ( C d .2 + С 2 +Аст₇ б.2 ) = 33,03 кН. А 2 = h 2 U = 0,595 м².

^3-го слоя. F d 3 = ^A 3 ^{( c} d .3 ^{+ c} 3 ^{+ Ас} у б.3 ) = ^{22,92 кН}. А ₃ = h ₃ U = 0,446 м².

Общая несущая способность F_d = F_d 1 + F_{d 2} + + F d 3 = 118,97 кН. Условие N = 119,3 кН ® ® F d = 118,97 кН удовлетворяется полностью.

Следовательно, на боковую поверхность сваи В-9 действуют боковое удельное давление скелета грунта, давление удельного сцепления грунта и боковое удельное давление скелета инертных заполнителей бетона, замеренных через один час после укладки бетонной смеси в скважину. Суммарные значения боковых удельных давлений скелета инертных заполнителей бетона и давлений удельного сцепления грунта получены замерами при критической нагрузке на сваю. Таким образом, исследованиями установлена необходимость увеличения диаметров поперечных сечений стволов набивных свай на 8…10 мм за счет прочного присоединения слоя омоноличенного грунта к их боковым поверхностям.

Предельная нелинейная сдвиговая деформация грунта по боковой поверхности цилиндрического ствола взрывофугасной сваи

На основании сделанного вывода о том, что на боковые поверхности стволов буровых свай действуют давления упругости грунтов, принимается положение о характере происхождения предельной нелинейной сдвиговой деформации грунта, действующей по боковым поверхностям свай, как нелинейных упругих объемно-сдвиговых [4]. С использованием результатов исследований находится значение коэффициента пропорциональности нелинейной упругой объемной деформации грунта как отношение величины осадки S_n^e = 22,9 мм к полной осадке штампа S _к = 75 мм. К е = S^e_n / S_K = 0,3. Нелинейная упругая объемно-сдвиговая деформация основания набивной взрывофугасной сваи В-9 по данным значений полных осадок сваи В-1 по графику на рис. 3 S = 16 мм получится S_e = K_eS = 4,8 мм, что полностью соответствует значению осадки набивной взрывофугасной сваи В-9 по графику полевых испытаний S = 4,8 мм (см. рис. 3). Отсюда следует вывод о том, что по боковым поверхностям взрывофугасных свай действуют исключительно нелинейные упругие объемносдвиговые деформации.

Метод расчета несущей способности взрывофугасной сваи с грунтоуплотненным конусом

Настоящие исследования проводятся с целью установления влияния вытеснения грунтов на формирование давлений по боковым поверхностям стволов и нижних концов свай в процессах нагружения их статическими осевыми вертикальными нагрузками [5]. Рассматривается опытная набивная взрывофугасная свая В-2. График испытания сваи построен на рис. 3.

Схема набивной взрывофугасной сваи В-2 показана на рис. 4. Форма уплотненного ядра принимается в виде кругового конуса с углом при вершине равным двум углам внутреннего трения грунта φ и с основанием равным диаметру ствола сваи. Нагрузка на основание сваи: от массы ствола сваи Nc = (п- R2lуц + ^^^к)уб = 2,84 кН; от мас сы домкрата Nd = 0,5 кН; дополнительная внешняя нагрузка N0 = 160 кН. Всеобщая нагрузка на основание N = N0 + Nc + Nd = 163,34 кН.

Несущая способность боковой поверхности сваи:

• ^1-го слоя F d 1 = 4(ст d .1 + q +ст₇ б.1 ) = 66,9кН. А 1 = h 1 U = 1,055 м² .

• ^2-го слоя F_d 2 = A 2 ( а d .2 + c 2 + ^.2 ) = 41,0 кН.

А 2 = h 2 U = 0,703 м².

3-го слоя F d 3 = A 3 (ст d .3 + c 3 + ст₇ б.3 ) =^19,3 кН . А ₃ = h 3 U = 0,352 м², где c^i - удельное давление скелета бетонной смеси, равное удельному давлению скелета грунта.

Общая несущая способность боковой поверхности ствола

F dM = F d 1 + F d 2 + F d 3 = 127,2 кН.

Несущая способность острия нижнего конца ^{сваи F}d ,н.к = ^{N - F}d ,б.п = ^36,1к^Н.

Площадь боковой поверхности острия сваи А б _п = А 1 + А ₂ = 0,115 м², где А 1 - площадь боковой поверхности усеченного конуса; А 2 – то же полного кругового конуса. А 1 = 0,5 п 1 1 ( D₀ + D 1 ) = 0,080 м² . А ₂ = n D|l /2 = 0,0346 м². Удельное сопротивление сдвигу по боковой поверхности острия сваи СТ 5 =Т 5 = F d ,н.к / А б.п = 313,91 кПа.

Рис. 4. Схема набивной взрывофугасной сваи В-2:

1, 2, 3 – слои грунтов; 4 – свая; 5 – грунтоомоноличен-ный слой ствола сваи

Выбор уравнения состояния предельного равновесия грунта при вытеснении острием нижнего конца сваи □ ₅ = т ₅ = ( с + ст d ) S tg 9 i k = 315,3 кПа. Разность значений между опытными напряжениями g ₅ =t ₅ = 313,9кПа и расчетными g ₅ =т ₅ = 315,3кПа получается вполне приемлемой.

Таким образом, в расчете учитывается толщина слоя омоноличенного грунта вокруг боковых поверхностей ствола и острия набивной взрывофугасной сваи В-2, равного разности радиусов 112 мм и 108 мм, что совпадает с данными расчетного исследования сваи В-9 только по боковой поверхности.

По боковой поверхности набивной взрывофугасной сваи В-9 по слоям соответственно действуют боковые удельные давления скелета инертных заполнителей бетона Ла_{у б} 1 = 11,5 кПа ; Аст_{у б} 2 = 12,4кН; Ла_{у б3} = 12,1кПа, а по боковой поверхности сваи В-2 (рис. 5) боковые удельные давления инертных заполнителей бетона достигают значений боковых удельных давлений скелета грунтов ст ^ бд = 14,4кПа; ст_уб2 = 15,2кН; ст_{у б}.₃ = 15,3кПа благодаря восходящему вверх потоку вытесняемого острием сваи грунта пластичного состояния, осуществляющего данное повышение напряжений по длине ствола сваи, показанного на рис. 5.

Следовательно, расчетным исследованием установлено повышение бокового удельного давления скелета инертных заполнителей бетона по бо-

Рис. 5. Схема восходящего вверх потока вытесняемого острием набивной взрывофугасной сваи В-2 грунта вдоль ее ствола: 1, 2, 3 – слои грунта;

4 – свая; 5 – направление восходящего потока вытесняемого грунта ковой поверхности ствола сваи от силового влияния вытесняемого острием нижнего конца грунта, выпираемого вверх вдоль ствола сваи, как среды пластического состояния.

Выводы

• 1.    Давление при критической нагрузке равняется сумме давления свежеуплотненной бетонной смеси через один час после укладки ее в скважину (создающего предварительное напряжение грунта) и удельного сцепления грунта естественного состояния.

• 2.    На боковую поверхность взрывофугасной сваи действуют боковое удельное давление сухого скелета грунта, давление удельного сцепления грунта и давление предварительного напряжения от бокового удельного давления скелета инертных заполнителей бетона.

• 3.    Установлена необходимость учета увеличения диаметров поперечных сечений стволов набивных свай на 8…10 мм за счет прочного присоединения слоя омоноличенного грунта к их боковым поверхностям.

• 4.    По боковым поверхностям стволов взрывофугасных свай действуют только нелинейные упругие объемно-сдвиговые деформации.

• 5.    Впервые исследована несущая способность основания взрывофугасной сваи с грунтоуплотненным конусом.

• 6.    Произведен выбор уравнений предельных равновесий грунтов по боковой поверхности ствола и грунтоуплотненного конуса.

• 7.    Создано объективное научное обоснование достоверной несущей способности оснований взрывофугасных свай и разработаны методологии инженерного определения их несущей способности, сравнимой по точности с результатами экспериментальных исследований.