Оценка несущей способности свай «Фундекс» по прочностным и деформационным характеристикам глинистых грунтов

А.В. Савинов, В.Э. Фролов

Самыми эффективными с точки зрения работы по грунту являются сваи, изготовленные с полным вытеснением грунта в их объеме. К этому типу свай традиционно относят широко распространенные в строительстве сваи, погружаемые в грунт в готовом виде, например, забивные и вдавли¬ваемые. Однако в последние годы отечественные геотехнические фирмы стали приобретать современное зарубежное оборудование и осваивать достаточно новые для нашей страны технологии устройства свай непо¬средственно в грунте, часть из которых также может быть отнесена к кате¬гории вытеснительных, т.е. выполненных с полным вытеснением грунта вих объеме. В частности, к таким сваям, в соответствии с рекомендациями новой редакции СП 24.13330.2011 [1], отнесены сваи «Фундекс».

Ранее эти сваи относили к категории буровых (буронабивных) и несущая способность по грунту свай «Фундекс» Fd, определенная по СП, оказывалась существенно заниженной. В настоящее время Fd таких свай определяется по таблицам СП [1] аналогично забивным и вдавливаемым сваям и, как показали натурные испытания статическими нагрузками в глинистых грунтах нашего региона, в ряде случаев их расчетная несущая способность оказывается завышенной, в частности, при опирании нижнего конца на твердые глины [2]. Отсутствие методики расчета, позволяющей достоверно определять несущую способность по грунту, сдерживает вне¬дрение свай «Фундекс» в практику проектирования и строительства.

Вместе с тем существует расчетная методика, разработанная в Саратовском государственном техническом университете под руководством д.т.н., проф. Ф.К. Лапшина и успешно применяемая его учениками и последователями для оценки несущей способности забивных и вдавливаемых свай в широком диапазоне грунтовых условий. Дополнительным преиму¬ществом методики является то обстоятельство, что ее основные уравнения уже включены в СП (Приложение Г) [1] и достаточно просты для практи¬ческого применения. Ее основные положения публиковались, в том числе, в г. Воронеже [3]. В данной статье приведены результаты расчетного определения несущей способности свай «Фундекс» в твердых глинах по нашей методике и по таблицам СП [1], а также выполнено их сопоставление с данными статических испытаний.

В соответствии с СП [1], несущую способность Fd, кН, висячей вы-теснительной сваи, работающей на вдавливающую нагрузку, следует определять как сумму несущих способностей под их нижним концом Fdh и на боковой поверхности Fdu по формуле:

Формула (1)

где ус - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным

1; R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.2; А - площадь опирания на грунт сваи, м2; и -наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м ;/ - расчетное со-противление z-ro слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл. 7.3; h, - толщина z-ro слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; yRtR и - коэффициенты условий работы грунта, соответственно, под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопро¬тивления грунта и принимаемые по таблице 7.4. Глубину погружения нижнего конца сваи и среднюю глубину расположения слоя грунта при планировке территории срезкой, подсыпкой, намывом до 3 м следует при¬нимать от уровня природного рельефа.

Отличие предлагаемой методики состоит в определении расчетных сопротивлений грунта под нижним концом и на боковой поверхности сваи с использованием прочностных и деформационных характеристик около- свайного массива после длительного «отдыха», полученных стандартными лабораторными и полевыми методами.

Расчетное сопротивление z-ro слоя основания/- определяется вели¬чиной конечного радиального давления Р\ на боковой поверхности ствола сваи и прочностными характеристиками грунта:

Формула (2)

Величина конечного давления Р\ находится методом итераций по достаточно сложному уравнению [3], но для коротких свай с приемлемой степенью точности может приниматься равной начальному давлению пла¬стических деформаций грунта Р\ ~ PPi:

Формула(3)

где POi - природное боковое давление грунта на глубине соответ¬ствующей середине z-ro слоя:

Формула(4)

у, среднее значение удельного веса грунта в пределах глубины /z; V, - коэффициент Пуассона z-ro слоя грунта в природном состоянии, опре-деляемый экспериментально или приближенно вычисляемый для суглинков и глин по показателю текучести IL по зависимости v = 0,1(1 + ЗIL).

Несущая способность основания сваи определяется величиной радиального давления грунта Р вокруг ее нижнего конца, равного его пре¬дельному сопротивлению:

Формула (5)

где Ро , Рр, v, (р, С - величины, аналогичные указанным в формулах (2) - (4) на глубине, соответствующей глубине погружения нижнего конца сваи от отметки природного рельефа; E sb - модуль деформации уплотнен¬ного грунта, определяемый по результатам прессиометрических или штамповых испытаний в уровне нижнего конца сваи, а также по данным компрессионных испытаний с использованием коэффициентов И.А. Агишева - ESB = тс Ес .

Расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи R вычис¬ляется по величине радиального давления Р по формуле:

Формула (6)

где n1 и n2 - коэффициенты, зависящие от угла заострения нижнего конца сваи а и угла внутреннего трения грунта ср.

Следует отметить, что коэффициенты n1 и n2 получены для круглой в поперечном сечении сваи и отличаются от аналогичных коэффициентов, представленных в СП [1].

Для экспериментальной проверки предложенных теоретических за¬висимостей на площадке строительства жилого комплекса «Царицынский» в г. Саратове ЗАО «Геотехника-С» были изготовлены опытные сваи по технологии «Фундекс» диаметром ствола 375 мм длиной 9,0 м с теряемым винтовым наконечником DPOS-4E (наибольший диаметр спирали - 465 мм,угол а = 94°). Сваи устраивались с поверхности дна котлована глубиной 2,0 м установкой IHC Fundex F2800.

Инженерно-геологический разрез площадки в пределах длины сваи представлен твердыми глинами со следующими свойствами: у = 18,54 кН/м3; ср = 23°; С = 38 кПа; lL = 0; v = 0,1.

В уровне нижнего конца сваи деформационные характеристики приняты по результатам лабораторных испытаний: Ес = 10,4 МПа, е = 0,66; тс = 6,0; Ese = 62,4 МПа; п/ =0,195; /12 = 0,718. После продолжительного (3 месяца) «отдыха» выполнены испыта¬ния свай статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками по ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями» до исчер¬пания несущей способности («срыва»). По результатам испытаний опреде¬лены предельная несущая способность и средняя удельная несущая спо¬собность грунта на боковой поверхности (Fdu; f - FaJul) и под нижним концом (F,//, = F(i - Fdu, R = FdiJA) сваи. Аналогичные параметры получены расчетом по таблицам СП [1] и по предлагаемой методике (формулы 1 - 6 ) при глубине расположения слоев от природного рельефа и коэффициенте надежности по грунту ус>? = 1,0. Все результаты приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1

Таблица 2

По результатам анализа полученных данных могут быть сделаны следующие предварительные выводы:

1. Таблицы СП [1] завышают расчетное сопротивление грунта под нижним концом и несущую способность пяты свай «Fundex» в глинах твердой консистенции. Использование коэффициентов надежности по грунту yCrg = 1,4 для величин, полученных расчетом по СП, и yCtg = 1,2 для экспериментальных величин не компенсирует отмеченное расхождение.

2. Значения несущей способности грунта на боковой поверхности Fju и среднего удельного расчетного сопротивления грунта основания по боковой поверхности f полученные расчетом по таблицам СП [1] и по предлагаемой методике при yc>g = 1,0, близки между собой и соответствуют результатам натурных испытаний свай. Использование коэффициента ус¬ловий работы для глин уК/ = 0,9 и коэффициентов надежности по грунту yCtg , рекомендуемых СП, ухудшает сходимость полученных результатов.

3. Предложенная методика позволяет избегать грубых ошибок и с достаточной точностью определять несущую способность вытеснительных свай в глинистых грунтах по их прочностным и деформационным характе¬ ристикам.

4. Использование физико-механических характеристик грунтов околосвайного массива, полученных полевыми методами in situ, позволит повысить надежность предложенного расчетного метода.

Вверх