Экспериментальные исследования изменения физико-механических характеристик грунтового основания при устройстве свай по технологии «Fundex»

А.В. Савинов, В.Э. Фролов, Ю.Н. Бровиков, М.П. Кожинский

Технология изготовления свай «Fundex» является для российской строительной практики достаточно новой. Хотя этот тип свай нашел свое отражение в актуализированных строительных нормах [1, 2], отсутствие достоверной экспериментальной информации о свойствах грунтового основания одиночной сваи и в составе фундамента, несущей способности сваи по грунту сдерживают развитие расчетных методов и ограничивают широкое применение данной технологии в фундаментостроении. В частности, в специфических слабых грунтах Санкт-Петербурга сваи «Fundex» изготавливаются уже более 16 лет, но, как отмечается в работе [3], «...эта технология, несмотря на ее широкое применение, требует дополнительных исследований».

В соответствии с указаниями [1] по способу заглубления в грунт сваи «Fundex» относятся к набивным бетонным сваям, устраиваемым в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного вытеснения - отжатия грунта (п.6.1). По способу устройства эти сваи относятся (п.6.4, а) к вытеснительным, устраиваемым путем погружения (забивкой, вдавливанием или завинчиванием) инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком (наконечником) или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью. Несущая способность таких набивных свай определяется по СП [1] аналогично несущей способности привычных забивных или вдавливаемых свай. Однако испытания свай «Fundex» статическими нагрузками, выполненные авторами статьи в грунтовых условиях Саратова, не подтверждают их столь высокую несущую способность.

Недавно появившийся ГОСТ [2] относит сваи «Fundex» к вытеснитель ным набивным сваям (cast in place (displacement) pile), устраиваемым путем погружения железобетонной оболочки, а также с помощью оставляемой или инвентарной обсадной трубы с закрытым концом с заполнением их полости неармированным или армированным бетоном. Однако в п.7.37 [2] появляется оговорка следующего содержания: «Применение свайных башмаков диаметром, большим, чем диаметр обсадной трубы, решается только проектной организацией с учетом того, что башмаки могут снижать несущую способность по боковой поверхности свай». Все сваи «Fundex» изготавливаются с использованием инвентарных башмаков, превышающих размеры обсадной трубы на 80 - 120 мм. Есть ли необходимость в этом случае учи тывать возможное снижение несущей способности сваи и как именно специалисты проектной организации должны это сделать в нормативном документе не указано.

В работе [2] также отмечается, что «наличие башмака, превышающего размеры обсадной трубы в среднем на 120 мм, обуславливают срез грунта на боковой поверхности и образование слоя грунта с пониженными характеристиками».

Следовательно, особенности формирования околосвайного массива в процессе устройства и «отдыха» в различных грунтовых условиях требуют дополнительного изучения.

На площадке строительства жилой комплекса «Царицынский» в Саратове с грунтовыми условиями, представленными мощной толщей глинистых отложений, в составе свайного фундамента под 25-этажный пятисекционный жилой дом ЗАО «Геотехника-С» в 2015 году изготовлены 310 свай
по технологии «Fundex». Сваи диаметром 375 мм длиной 9 м с теряемым винтовым наконечником DPOS-4E (наибольший диаметр спирали - 465 мм) устраивались с поверхности дна котлована глубиной около 2,0 м установкой IHC Fundex F2800. Инженерно-геологические условия площадки строительства были представлены следующими глинистыми грунтами (глубины залеганияслоев указаны от поверхности дна котлована):

Подземные воды вскрыты на глубине от 2,2 до 3,0 м и локализованы в диапазоне глубин от 2,2 до 5,0 м. Обобщенный инженерно-геологический разрез площадки в месте проведения эксперимента с ориентировочной схемой расположения сваи показан на рис. 1.

Выбор таких грунтовых условий площадки позволил заранее исключить влияние на результаты эксперимента целого ряда факторов, вносящих искажения в картину формирования уплотненных зон вокруг сваи: наличие избыточного порового давления, приводящего к разуплотнению грунта при изготовлении сваи; возможное уменьшение диаметра ствола сваи при бетонировании в слабых грунтах; взаимное влияние свай при изготовлении и т.д. После продолжительного «отдыха» (4,5 месяца), гарантирующего полное завершение консолидации и восстановления структурных свойств грунтов, выполнены дополнительные инженерно-геологические изыскания и проведен комплекс экспериментальных исследований:

Рисунок 1

Рис. 1. Обобщенный инженерно-геологический разрез площадки в месте проведения эксперимента


Рисунок 2

Рис. 2. Схема расположения экспериментальной сваи и буровых скважин

Результаты лабораторных определений физических свойств грунтов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Для наглядности и удобства анализа представленных в табл. 1 данных в качестве примера на рис. 3 представлены графики изменения плотности грунта ρ, г/см3, по глубине в зависимости от расстояния до ствола сваи.

Рисунок 3

Рис. 3. Графики изменения плотности грунта ρ, г/см3, по глубине в зависимости от расстояния до ствола сваи

Результаты лабораторных определений прочностных характеристик грунтов представлены в табл. 2, деформационных - в табл. 3.

Таблица 2

 

Таблица 3

Из-за наличия вкраплений глины и песчаных прослоек в монолитах, вызывающих значительный разброс параметров при раздельном определении угла внутреннего трения φ и удельного сцепления С, в качестве параметра прочности принято предельное сопротивление консолидированного грунта сдвигу τu, МПа, при нормальном напряжении в плоскости сдвига σ = 0,3 МПа. Модули деформации определялись на стандартных приборах компрессионного сжатия в интервале давлений σ = 0,0 - 0,2 МПа при естественной влажности и в условиях полного водонасыщения.

При изучении полученных результатов следует обратить внимание на следующие обстоятельства:

Анализ полученных экспериментальных данных показывает:

Наибольшее снижение параметров отмечается непосредственно над верхним обрезом винтового наконечника.

На расстоянии 1,0 м от грани сваи в том же диапазоне глубин фиксируется величины ρ, близкие к природным значениям. Прочностные и деформационные характеристики на этих глубинах демонстрируют аналогичную зависимость.

Такое снижение бокового сопротивления в твердых устойчивых глинах, на наш взгляд, не может быть связано с технологическими особенностями извлечения обсадной трубы и бетонирования сваи, как это, вероятно, происходит в слабых водонасыщенных глинистых грунтах Санкт-Петербурга [4]. Разуплотненная зона на этом участке боковой поверхности могла сформироваться еще при погружении сваи и определяться характером (траекторией) вытеснения грунта из-под винтового наконечника, диаметр которого превышает диаметр ствола сваи;

Авторы статьи считают, что объем выполненных исследований недостаточен для полноценного анализа и однозначных выводов. Поэтому в статье представлены лишь предварительные выводы о характере формирования уплотненных зон вокруг боковой поверхности и нижнего конца одиноч-
ной сваи «Fundex» в типичных для Саратова грунтовых условиях.

Выводы

Считаем, что в рассмотренных инженерно-геологических условиях при длительном «отдыхе» продолжительностью 4,5 месяца все процессы консолидации и возможного восстановления структурных связей околосвайного массива грунтов полностью завершились.

По результатам экспериментальных исследований вблизи боковой поверхности сваи «Fundex» фиксируется незначительное уплотнение основания, но не отмечено роста как прочностных, так и деформационных характеристик грунта существенно выше природных значений. На участке ствола выше обреза башмака на 3-5 диаметров вокруг боковой поверхности сваи отмечается уменьшение плотности (разуплотнение) грунта, а также незначительное снижение его прочностных и деформационных свойств.

Ниже нижнего конца сваи (теряемого инвентарного винтового наконечника) на глубину до восьми диаметров ствола сваи достоверно фиксируется плотнение основания, повышение его прочности и снижение деформативности.

Для уточнения методов оценки несущей способности свай «Fundex» требуются дополнительные экспериментальные исследования их основания в широком диапазоне грунтовых условий лабораторными и полевыми методами с параллельными испытаниями опытных свай статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками.

Вверх