В статье приведены результаты исследований, оценки несущей способности и деформаций намывного основания призматических и тензометрических забивных свай разного поперечного сечения.

This article presents the analysis results of the load-carrying capacity and stress-strain behaviour of the sandy bases of prismatic and tensiometer precast piles of different cross-section.

Введение

Одной из актуальных задач современного фундаментостроения является строительство на территориях со сложными грунтовыми условиями, характерными для активно осваиваемых в настоящее время неудобей и неблагоприятных площадок со «слабыми» грунтами, ранее не используемых для этих целей.

Целесообразность освоения таких земель в строительных целях по сравнению с суходолами пригородной зоны заключается в том, что они находятся в непосредственной близости от городских центров с развитой сетью учреждений культурно-бытового обслуживания, транспорта и инженерных коммуникаций. Строительство на неудобях (в черте городов) приближает жилье к местам непосредственного приложения труда, снижает транспортную усталость населения, повышает производительность труда, улучшает социально-экологическую среду и т. п. Следует также учитывать, что освоение каждого квадратного километра за пределами города (помимо того, что изымаются ценные пахотные земли) требует возведения 2,5–3,0 км новых магистралей, 1,5–3,0 км инженерных сооружений, удлинения маршрутов общественного транспорта и т. п.

Наиболее эффективно указанная проблема решается методом гидронамыва грунта, который при наличии водных и энергетических ресурсов является в настоящее время самым экономичным и эффективным способом выполнения земляных работ, технической мелиорации и предпостроечной подготовки строительных площадок [1].

Строительство на указанных землях традиционно ведется с прорезкой намытого грунта стандартными сваями без учета его инженерно-строительных свойств [2–4] и др. Хотя, как известно, для ряда регионов СНГ (Беларуси, Украины, Поволжья) намывной грунт обладает высокими прочностными свойствами, хорошей распределительной способностью, низкой деформативностью и может быть вполне надежным основанием, в том числе свайных фундаментов для любых видов зданий и сооружений [5].

Однако указанные обстоятельства часто игнорируются, что приводит к экономически неоправданным решениям и, в конечном итоге, – к перерасходу материалов и завышенной стоимости объектов. Это обусловлено тем, что вопросы работы фундаментов в пойменно-намывных основаниях со слабым подстилающим слоем, особенно свайных, устраиваемых без прорезки намывного грунта, практически не изучены, недостаточно отражены в действующих нормативных документах по проектированию фундаментов и требуют дальнейшего совершенствования. Исходя из этого, РУП «Институт БелНИИС» Минстройархитектуры были проведены исследования особенностей работы песчаных намывных оснований свай, применяемых в Республике Беларусь. Ниже в статье приводятся отдельные результаты указанной работы.

Задачи, методика исследований, оборудование, ХАРАКТЕРИСТИКА ОПЫТНЫХ ПЛОЩАДОК

Для эффективного использования свай на намывных основаниях (далее – НО) требуется изучить характер их работы в намывном грунте и откорректировать, с учетом выявленных особенностей, нормы и методы проектирования свайных фундаментов. Прежде всего, указанные проблемы необходимо решить для стандартных забивных свай, на которые в настоящее время приходится до 90 % всего объема применяемых в республике свай (в том числе для НО).

Исследования работы намывных оснований проводились с применением забивных железобетонных свай сплошного сечения стандартной номенклатуры по ГОСТ 19804.1 сечением 300х300 мм, и индивидуальных свай сечениями: 150х150 и 170(175)х170(175) мм (бетон В15, арматура Æ7-12АП), а также круглых металлических тензометрических свай кольцевого сечения различной площади и длины (таблица 1), позволяющих раздельно фиксировать усилия на острие и боковой поверхности при их одновременном загружении. Технические характеристики опытных свай приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики опытных свай и результаты их испытаний ^*

* В г. Гомеле эксперименты проводились при техническом содействии ПО «Гомельпромстрой». Испытания на опытных площадках ОП3 и ОП4 выполнены совместно с Г. С. Родкевичем.
** Испытание сваи не было доведено до конца по техническим причинам.
*** Свая была испытана циклической нагрузкой.

Тензометрические сваи выполнены в виде трубы кольцевого сечения, внутри которой пропущен металлический сердечник, соединенный с острием сваи. На противоположном конце сердечника установлена мессдоза для измерения нагрузки, приходящейся на острие (рис. 1).

Все опытные сваи погружались в основание при помощи штангового дизель-молота марки С330 с массой ударной части 2500 кг и высотой ее падения 2600 мм, или С996 – с массой молота 1800 кг .

Нагружение свай осуществлялось гидравлическими домкратами ДГ50, ДГ100, ДГ200, реактивные усилия которых передавались через балку на металлическую платформу размерами в плане 2,5х8,0 м, пригруженную чугунными блоками массой по 2500 кг каждый. Давление в системе поддерживалось при помощи насосной станции НСР-400 и контролировалось монометром на 400 атм с ценой деления 5 атм (рис. 2).

1 – составные секции-стенки; 2 – наконечник сердечника; 3 – съемная мессдоза (в кожухе); 4 – плита-оголовок для забивки сваи; 5 – крепежный болт; 6 – проушина-болт для сжатия секций и выдергивания сваи из грунта; 7 – составной сердечник; 8 – резиновая прокладка

Рис. 1. Тензометрическая свая: а – принципиальная схема сваи с приспособлениями для забивки и измерения усилий; б – общий вид сваи

Рис. 2. Испытание опытных свай: а – общий вид опытной площадки ОП4 и оборудования для испытания опытных свай; б – общий вид оборудования для испытания тензометрических свай (платформа, насосная станция НСР-400, измеритель деформаций ИД-62М

Испытания свай статическими осевыми вдавливающими нагрузками проводились по стандартной методике ГОСТ 5686 [6] до их срыва и доведения осадок не менее чем до 20 мм. После этого они разгружались с замером упругого подъема.

В качестве регистрирующей аппаратуры при испытании тензометрических свай использовалась тензостанция (измеритель деформации) ИД-62М или ИДЦ-1 (см. рис. 2). Усилия в силоизмерительных мессдозах регистрировались на каждой ступени загружения, начиная с приложения нагрузки, а затем с тем же временным интервалом, что и показания прогибомеров, до полной стабилизации осадки.

Экспериментальное исследование работы НО свай проводилось на четырех основных опытных площадках ОП1–ОП4 (см. таблицу 1). Характеристики опытных площадок ОП и грунтов, их слагающих, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Инженерно-технические характеристики опытных площадок

Для определения свойств намывного песка и уточнения характеристик подстилающих грунтов на опытных площадках отрывались шурфы на всю глубину намывной толщи с отбором проб и монолитов. Кроме того, на площадках ОП2, ОП3 и ОП4 проводилось статическое зондирование с использованием установки С-832 согласно требованиям ГОСТ 19912 [7].

Характерной особенностью для всех опытных площадок является пониженная плотность грунта для верхней (примерно 0,5 м) и нижней (0,5–1,0 м) зон намытой толщи по сравнению с его средней частью. Такая закономерность присуща всем намывным основаниям, на что указывают работы многих исследователей, например [8, 9].

Исследование несущей способности и деформаций намывного основания забивной сваи с учетом более слабого подстилающего слоя

Проведенные экспериментальные исследования в гг. Гомеле и Могилеве показали, что для песчаного намывного основания забивных свай кривая «нагрузка – осадка» S = f(P) состоит, как правило, из трех участков (рис. 3, 4). Первый, соответствующий структурной прочности грунта Р_о, имеет линейное очертание и совпадает с осью абсцисс. Второй, отвечающий фазе уплотнения, описывается линейной или близкой к ней зависимостью «осадка – нагрузка». И, наконец, третий, соответствующий фазе сдвигов, имеет график, фактически параллельный оси ординат.

1–4 – номера опытных свай по таблице 1

Рис. 3. Исследование несущей способности намывного основания забивных свай на опытной площадке ОП3 (г. Могилев)

Рис. 4. Исследования несущей способности намывных оснований забивных свай на опытной площадке ОП4 (г. Гомель), графики зависимостей S = f(P) для свай №№ 1–15 (см. таблицу 1)

Предел пропорциональности для свай сечением 150х150 и 170х170 мм (см. рис. 3, 4) наблюдается практически до срыва (при осадках 1,5–2,0 мм), а для свай сечением 300х300 мм – до осадок 2–3 мм при осадке срыва 4–10 мм. Установлено, что деформации быстро затухают во времени. Продолжительность стабилизации осадки на первых ступенях загружения не превышает 1–1,5 ч, а на последних – 2–3 ч. Основная часть деформации на каждой ступени происходит в интервале 15–30 мин после приложения нагрузки, и в последующем имеет незначительное приращение – не более 1 %–5 %. Указанная закономерность нарушается только для предпоследней ступени загружения.

Наблюдения за процессом восстановления деформаций грунта при снятии нагрузки показали, что упругие деформации играют значительную роль в формировании несущей способности и напряженно-деформированного состояния основания свай, особенно на начальной стадии загружения, когда они являются основными. На них приходится до 50 %–70 % от общей осадки, произошедшей до момента срыва свай. Это, по мнению автора, обусловлено наличием структурных связей, влияющих на характер и количественное соотношение между упругими и остаточными деформациями.

Кривая первого участка отсекает на оси нагрузки Р отрезок, равный Р_о, величина которого соответствует структурной прочности для данного намывного грунта и, как правило, равна 20–50 кН. Доля ее в общей несущей способности для квадратных свай сечением 150х150, 170х170 мм и круглых диаметрами 114, 160 и 219 мм составляет 25 %–30 %, а для свай сечением 300х300 мм – 10 %–15 %.

На ОП4 сваи одинаковых геометрических характеристик и глубин погружения испытывались с разным временем отдыха после забивки. Продолжительность отдыха для отдельных свай колебалась от 5 до 19 дней. Прирост несущей способности за 12 дней отдыха для свай сечением 150х150 и 170х170 мм составил 3,3 %–5,9 % (см. таблицу 1 – сравнить сваи №№ 1 и 12, 15, а также №№ 3, 4 и 10). По мнению автора, это обусловлено восстановлением коллоидных связей, а также улучшением свойств намывного грунта в активной зоне свай от его дополнительного уплотнения забивкой и снижения за счет этого влажности на 3 %–5 %. Процесс упрочнения имеет интенсивный характер и в основном стабилизируется к шестому дню отдыха свай. Косвенным подтверждением может служить величина Р_о, которая к шестому дню достигает 25–50 кН и в дальнейшем практически не растет независимо от продолжительности отдыха свай. При этом общее увеличение несущей способности свай за указанное время достигает 50 %–70 %.

Следует отметить также, что на величину несущей способности большое влияние оказывает поперечный размер свай. Зависимость между их несущей способностью и поперечными размерами имеет практически линейный характер. Так, для намытых песков мелких и средних (независимо от возраста) увеличение поперечного размера свай в 2 раза приводит к увеличению их структурной связности и грузоподъемности в 2,5–3 раза, что указывает на положительный характер дополнительного уплотнения намывного песка.

На ОП2 и ОП4 исследовался также характер влияния на несущую способность свай более слабого подстилающего слоя. В результате чего установлено, что при соотношении модулей деформации верхнего намывного слоя Е_в и подстилающего Е_п, менее прочного, m = E_в/E_п = 3–5 при Н_б > 8d - более слабый слой практически не оказывает влияния на значение F_d. Такое двухслойное основание можно условно считать однородным (см. таблицу 1 испытания свай №№ 1, 5, 4, 10, 12 на ОП4). Это согласуется с результатами, полученными П. А. Коноваловым, Т. Г. Етимовым и другими [9, 10] при штамповых испытаниях двухслойных оснований.

Исследование характера распределения нагрузки между боковой поверхностью и острием забивных свай в намывном несущем слое

Для изучения особенностей работы острия и боковой поверхности свай в намывном основании на опытных площадках ОП2–ОП4 испытаны семь тензометрических свай (см. таблицу 1). Результаты их испытаний приведены на рис. 5.

а) б) в)

1 – суммарный график S = f(P); 2, 3 – суммарный график соответственно для острия на боковой поверхности; 4 – суммарный график для острия, по расчету

Рис. 5. Результаты испытания тензометрических свай:

а – график зависимости S = f(P) для сваи № 2 на ОП2;

б – то же, для сваи № 3 на ОП3;

в – то же, для сваи № 9 на ОП4

Особенность исследований свай на опытной площадке ОП3 заключалась в том, что они испытывались в неоднородном равнопрочном основании. Сваи были забиты с прорезкой намытой толщи и заглублением их концов в песчаный подстилающий слой, не уступающий по своим свойствам намытому стабилизированному грунту.

В результате испытаний установлено, что общая осадка до срыва свай не превысила 4 мм, а упругий подъем составил в среднем 25 % от их общей осадки. Острие и боковая поверхность свай включились в работу одновременно, и нагрузка между ними распределялась равномерно. Причем большая ее доля приходилась на боковую поверхность (см. рис. 5б).

Следует отметить, что характер работы для свай, использующих намывной стабилизированный песок в качестве несущего слоя (без его прорезки), отличается незначительно. Так, на опытной площадке ОП4 было испытано три тензометрические сваи (см. таблицу 1, сваи №№ 7–9). Результаты испытаний для сваи № 9 приведены на рис. 5в. Анализ графиков показывает, что большая часть нагрузки, приложенной к свае, также передается на грунт боковой поверхностью при постоянной величине усилия, приходящегося на острие, которое не превышает структурной прочности грунта Р_о до момента срыва сваи. Доминирующая роль острия в восприятии внешней нагрузки отмечается только на начальной и последних ступенях загружения.

В исследуемых грунтах несущая способность боковой поверхности (см. рис. 5б, 5в) для однородных и стабилизированных (возраст более 2,5 лет) НО составляет в среднем 70 %–80 % ее общей величины. Для свеженамытых оснований большая часть нагрузки приходится на острие (см. рис. 5а).

Исследование несущей способности намывного основания забивной сваи во времени

Сравнение результатов испытаний свай на опытной площадке ОП4 (возраст намыва 4 года) с данными испытаний на намывном основании ОП2 (в возрасте 1 года) свидетельствует о значительном росте несущей способности боковой поверхности с 15 % до 75 % при одновременном увеличении суммарной величины F_d. Поскольку гранулометрический состав и плотность (физико-механические свойства) в обоих случаях практически одинаковы, – это, по мнению автора, вызвано упрочнением структурных связей намывного песка.

Испытания свай с различными сроками отдыха и циклической нагрузкой показали, что в основаниях намытых песков мелких и средних средней плотности забивка свай не приводит к необратимому разрушению структурных связей и потере инженерно-строительных свойств намывного грунта. Так, прирост значений F_dпри отдыхе свай 6–12 дней достигает 6 %. Аналогичные результаты были получены И. В. Дудлером [11].

О более существенном росте несущей способности свай во времени свидетельствуют результаты испытаний забивных свай сечением 300х300 мм длиной 3,5–4,5 м (рис. 6). Испытания свай проводились с интервалом во времени в 1–1,5 года на территории микрорайона № 5 в г. Гомеле. Основанием свай служили намывные пески мелкие и средней крупности, намытые из одного карьера, и одинакового гранулометрического состава. Наиболее интенсивный рост значений F_d наблюдался в первые 3–4 года после намыва, приближаясь в стабилизированном состоянии грунта к значениям естественных песчаных грунтов.

Рис. 6. Характер изменения несущей способности, намывного песчаного основания натурных забивных свай во времени (г. Гомель, м-н № 5)

Анализ рис. 6 показывает, что упрочнение (прирост несущей способности) нестабилизированного намывного песка проходит во времени две стадии: I – неустановившегося затухающего упрочнения (t = 0–1,5 года) и II – установившегося упрочнения, стремящегося к его конечному значению (t = 1,5 года – 5 лет). Следует также выделить стадию исходной прочности, обусловленную плотностью укладки песка сразу после завершения намыва и равную участку, отсекаемому на оси абсцисс (см. рис. 6) кривыми упрочнения.

Из вышеизложенного можно заключить, что повышение плотности намытого основания в процессе забивки свай приводит к интенсивному его упрочнению. Это, по мнению автора, происходит вследствие восстановления нарушенных связей и возникновения новых, за счет увеличения их числа в единице объема от дополнительного уплотнения грунта, снижения влажности на 3 %–5 % (по сравнению с естественной) и возникновения эффективных напряжений, что хорошо согласуется с данными лабораторных исследований [12].

ВЫВОДЫ

В процессе натурных экспериментальных исследований намывных оснований забивных свай различных длин и сечений установлено следующее.

1 Работа забивных свай в намывном песке отличается от их работы в аналогичных песках естественного сложения и насыпных грунтах за счет способности намывного грунта уплотняться и упрочняться во времени. Это обеспечивает им высокую несущую способность и низкую деформативность. Наиболее интенсивный прирост несущей способности намывных оснований свай происходит в первые 3 года после окончания намыва в две стадии, соответствующие процессам неустановившегося I и установившегося II затухающего упрочнения намывного песка (см. рис. 6).

2 Данные испытаний намывного песка тензометрическими сваями показывают, что его упрочнение во времени ведет в основном к увеличению несущей способности боковой поверхности свай. При этом происходит перераспределение усилий между острием и боковой поверхностью свай, которые соответственно составляют 85 % и 15 % (для намывного песка в возрасте до 1 года) и 25 % и 75 % (то же, в возрасте 4 лет).

3 Дополнительное уплотнение намывного грунта, возникающее в процессе забивки свай, является положительным фактором, способствующим повышению несущей способности, надежности и улучшению условий работы основания; оно не останавливает процесса структурообразования, а влияет только на величину и интенсивность упрочнения структурных связей во времени, обусловленных формированием намывных оснований.

4 Установлено, что процесс упрочнения после забивки сваи для стадии II (см. рис. 6) в основном заканчивается к шестому дню и в дальнейшем практически не развивается независимо от продолжительности отдыха свай. Дополнительное уплотнение приводит к тому, что в общей осадке свай преимущественную роль начинают играть упругие перемещения, особенно в начальный момент загружения, когда они являются основными.

5 Результаты исследований послужили исходным материалом для корректировки СНБ 5.01.01 [13] и пособий к нему.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Раввинский, Л. М. Применение гидромеханизации при освоении пойменных земель для жилищного строительства / Л. М. Раввинский. – М.: Стройиздат, 1966. – 24 с.

2. Коваль, В. Е. Строительство свайных фундаментов на намывных территориях / В. Е. Коваль // Фундаментостроение в сложных грунтовых условиях: тезисы докл. Всесоюзного совещ., Алма-Ата, 1977 г. – С. 194–196.

3. Винокуров, Е. Ф. Выбор рациональных типов фундаментов на пойменных основаниях / Е. Ф. Винокуров, П. С. Пойта // Повышение эффективности строительства животноводческих и производственных зданий и сооружений: тезисы докл. конф., Брест, 1988 г.. – С. 231–233.

4. Сотников, С. Н. Опыт проектирования строительства и эксплуатации зданий, возводимых на намывной территории / С. Н. Сотников // Рациональные фундаменты зданий и сооружений в условиях слабых грунтов: материалы семин. – Л.: ЛДНТП, 1982. – С. 18–26.

5. Шахирев, В. Б. Исследование намывных оснований с точки зрения выбора рациональных конструкций свай / В. Б. Шахирев, А. С. Карамышев, В. Н. Кравцов // Вопросы строительства и архитектуры. Вып. Х. Строительные конструкции и технология их производства: Респ. межведомств. сб. – Минск, Вышэйшая школа, 1980. – С. 26–31.

6. Сваи. Методы полевых испытаний сваями: ГОСТ 5685-94.

7. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием: ГОСТ 19912-2001.

8. Винокуров, Е. Ф. Строительство на пойменно-намывных основаниях / Е. Ф. Винокуров, А. С. Карамышев. – Минск: Вышэйшая школа, 1980. – 206 с.

9. Коновалов, П. А. Закономерности деформирования оснований, сложенных заторфованными грунтами: автореф. … дис. д-ра техн. наук: 05.23.02 / П. А. Коновалов; НИИОСП им. Н. М. Герсеванова. – М., 1979. – 44 с.

10. Етимов, Т. Г. О расчете осадок фундаментов на двухслойном основании, состоящем из слоя песка на слабом грунте / Т. Г. Етимов // Механика грунтов оснований и фундаментов: сб. тр. – Л.: ЛИСИ, 1973. – № 78. – С. 28–37.

11. Дудлер, И. В. К вопросу об оценке плотности и прочности песка в теле намывных сооружений: сб. тр. ин-та Гидропроект. – М.: Госстройиздат, 1964. – № 11. – С. 135–164.

12. Кравцов, В. Н. Уплотнение и упрочнение песчаных намывных грунтов во времени в связи с их дегидратацией / В. Н. Кравцов // Строительная наука и техника. – 2010. – № 6. – С. 116–119.

13. Основания и фундаменты зданий и сооружений: СНБ 5.01.01-99. – Введ. 01.07.1999.