КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Пресняков Олексій Борисович

УДК 624.131

НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ ВДАВЛЮВАНИХ ПАЛЬ

У ПІЩАНИХ ТА ГЛИНИСТИХ ГРУНТАХ

05.23.02 – Основи і фундаменти

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі основ та фундаментів Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор кафедри

основ і фундаментів

Корнієнко Микола Васильович,

Київський національний університет будівництва і архітектури

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Зоценко Микола Леонідович,

Полтавський національний університет

ім. Ю. Кондратюка Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри нафтогазових промислів і геотехніки, м. Полтава

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Малацідзе Едуард Георгійович, проектно-будівельний концерн "Укрмонолітспецбуд”, начальник науково-технічного відділу “, м. Київ

Провідна установа - Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій

Захист відбудеться 05.10.2005р., о 13 год. На засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 „Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м.Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м.Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розіслано 01.09.2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради,

к.т.н., доцент Блажіс Г.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростаючі обcяги будівельного виробництва та підвищення рівня урбанізації великих міст обумовлюють пошук та освоєння нових ділянок незабудованих територій, які в більшості випадків знаходяться в несприятливих інженерно-геологічних умовах. Крім того, спостерігається тенденція до збільшення поверховості споруджуваних будинків та зведення їх в місцях щільної міської забудови.

Такі умови призводять до збільшення навантажень на основу, а це в свою чергу вимагає пошуку нових видів фундаментів, які б забезпечували не тільки надійну експлуатацію новобудови, але й мали б мінімальний вплив на раніше збудовані будинки та споруди. До таких фундаментів відносяться пальові фундаменти, які дають можливість надійного спорудження будівель в найскладніших ґрунтових умовах. Саме застосування пальових фундаментів забезпечує зменшення загальних нерівномірних деформацій осідання будівель і споруд, зменшує трудові витрати на виконання земляних та бетонних робіт.

Проте сьогодні, поряд з вимогами надійності фундаментів і технологічності їх виконання, великий вплив на вибір того чи іншого типу фундаментів має економічна доцільність їх влаштування та відповідність вимогам природоохоронного законодавства, що передбачає проведення робіт з низьким рівнем шуму та малими енерго- і трудовитратами.

Цим вимогам повністю відповідають палі, що влаштовуються методом статичного вдавлювання. Більш широке впровадження цих паль у практику будівництва стало можливим завдяки створенню нових мобільних палевдавлюючих пристроїв, зусилля вдавлювання яких сьогодні досягає 2300 кН.

Широке використання паль вдавлювання стримується недостатнім рівнем існуючих розрахункових визначень їх несучої здатності. Це насамперед пов’язано з недостатнім рівнем вивчення взаємодії вдавлюваної палі з ґрунтом основи. Значна кількість експериментальних досліджень несучої здатності таких паль показали суттєві розбіжності з результатами, одержаними за розрахунками по діючих нормативних документах, а це в свою чергу призводить до невідповідності прийнятих проектних рішень дійсним умовам роботи вдавлюваних паль.

На сьогодні в нормативних документах мало уваги приділяється як технології вдавлювання паль, так і визначенню їх несучої здатності по грунту. Особливо це стосується пошуку співвідношення між зусиллям вдавлювання та несучою здатністю як в піщаних, так і в глинистих ґрунтах. Тобто мова йде про необхідність розвитку сучасних методів визначення несучої здатності вдавлюваних паль.

Подальший розвиток і вдосконалення пальових фундаментів, зокрема із вдавлюваних паль, можливий лише при детальному вивченні взаємодії паль даного виду з оточуючим ґрунтом та розробці надійних і точних методів їх розрахунку.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 2003 – 2005 рр. і є продовженням досліджень, які проводились в рамках науково-дослідної теми 6ДБ-2000 „Теорія моделювання процесів деформування пружно-пластичних середовищ в умовах природної та техногенної екскавації грунту при реконструкції історичних частин міст з розробкою нових методів визначення ґрунтових масивів”. Тема 8ДБ-2003 „Розробка теорії взаємодії будівель з ґрунтовою основою з урахуванням напружено-деформованого стану і моніторингу геосистеми”, наказ Міністерства освіти і науки України №633 від 5.11.2002р, наказ КНУБА №41 від 24 лютого 2003р.

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень полягає у визначенні методики розрахунку несучої здатності вдавлюваних паль та порівнянні одержаних результатів з фактичними даними випробувань в польових умовах на прикладі дослідження роботи одиночних висячих призматичних паль від дії вертикального стискуючого навантаження, а також вдосконалення методів розрахунку напружено-деформованого стану основи в навколопальовому просторі.

Для досягнення заданої мети були поставлені такі задачі:

- за допомогою експериментальних досліджень в лабораторних умовах встановити різницю між несучою здатністю вдавлюваних і забивних одиночних висячих паль при дії вдавлюючого навантаження, з визначенням параметрів та відмінностей у формуванні напружено-деформованої зони навколо паль, та перевірити співвідношення розподілу сил опору ґрунту між вістрям вдавлюваних і забивних паль та їх бічною поверхнею;

- експериментальним шляхом на основі напівнатурних польових випробувань провести аналіз несучої здатності вдавлюваних і забивних паль та визначити характер ущільнення ґрунту навколо стовбуру палі та під їхнім вістрям;

- провести натурні випробування призматичних вдавлюваних паль у різноманітних ґрунтових умовах та встановити відмінність між зусиллям вдавлювання і несучою здатністю паль;

- за допомогою числового моделювання встановити напружений стан основи для вдавлюваної і забивної палі;

- визначити можливість прогнозування за зусиллям вдавлювання несучої здатності паль;

- запропонувати методику розрахунку несучої здатності вдавлених призматичних паль, в тому числі за даними статичного зондування, та перевірити її відповідність даним натурних випробувань паль;

- розробити вказівки і рекомендації для інженерного розрахунку несучої здатності вдавлюваних паль;

- підтвердити достовірність одержаних результатів досліджень впровадженням їх на будівельних майданчиках м. Києва, Київської області та інших територій України.

Об’єктом досліджень є взаємодія одиночної висячої призматичної палі, влаштованої методом вдавлювання, з піщаними та глинистими ґрунтами основи.

Предметом досліджень є несуча здатність одиночної висячої вдавлюваної призматичної палі від дії вертикального стискуючого навантаження.

Методи досліджень – експериментальні випробування моделей, напівнатурних та натурних одиночних призматичних паль влаштованих статичним вдавлюванням та ударним методом, числове моделювання напружено-деформованого стану грунту для цих паль, розробка відповідної методики розрахунку несучої здатності вдавлюваних паль.

Наукова новизна одержаних результатів.

Виконані дослідження виявили розбіжності у взаємодії вдавлюваних та забивних призматичних висячих паль з ґрунтом основи, різницю в напружено – деформованому стані навколо цих паль, що дозволило запропонувати методики розрахунку несучої здатності вдавлюваних паль за величиною зусилля їх вдавлювання та за даними статичного зондування. Зокрема:

- одержано нові дані про формування деформованої зони навколо стовбуру та під вістрям одиночних призматичних вдавлюваних та забивних паль в піщаних ґрунтах;

- виявлено характер розподілу реактивних сил між вістрям та бічною поверхнею одиночних висячих вдавлюваних та забивних паль;

- розроблено розрахункову модель для визначення напружено-деформованого стану грунту навколо одиночної вдавлюваної палі для умов числового моделювання;

- виявлено фактори впливу на величину несучої здатності вдавлюваних паль, що дає змогу передбачити негативні чинники, які можуть призвести до зменшення несучої здатності вдавлюваних паль;

- встановлено залежності між зусиллям вдавлювання і несучою здатністю паль, що дозволило запропонувати методику розрахунку несучої здатності вдавлюваних паль.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблено рекомендації щодо визначення несучої здатності вдавлюваних паль в піщаних та глинистих ґрунтах, що дозволяє встановити достовірну розрахункову величину Fd таких паль в залежності від зусилля їх вдавлювання та результатів статичного зондування. Це дає змогу:

- зменшити кількість дослідних паль, які підлягають статичному випробуванню на будівельному майданчику;

- контролювати несучу здатність паль при їх вдавлюванні;

- реалізувати результати досліджень при проектуванні;

- уточнити технологічні вимоги щодо влаштування вдавлюваних паль.

Одержані результати досліджень було впроваджено НВ ТОВ „Міліуса” і ТОВ НВП „Ліко-ВЕТ” при влаштуванні пальових фундаментів із вдавлюваних паль для новобудов та реконструйованих будинків в м. Києві, м. Енергодарі Запорізької області. Загальна кількість об’єктів впровадження на сьогоднішній день склала 2. Одержаний економічний ефект становить – 51 956 грн.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики і виконанні лабораторних, модельних, напівнатурних та натурних досліджень паль, обробці та узагальненні одержаних результатів, порівнянні цих даних з результатами досліджень інших авторів.

Представлені результати в дисертаційній роботі були одержані здобувачем самостійно. У статтях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать такі результати:

дослідження роботи нових вдавлюючих пристроїв з високим зусиллям вдавлювання та несучої здатності вдавлюваних паль [1];

встановлення впливу зусилля вдавлювання на величину несучої здатності вдавлюваних паль у різних ґрунтових умовах м. Києва, проведення польових статичних випробувань натурних паль [2];

проведення лабораторних досліджень для одиночних призматичних вдавлюваних та забивних моделей паль, виконання польових статичних випробувань натурних дослідних паль [3];

проведення напівнатурних випробувань несучої здатності вдавлюваних та забивних напівнатурних паль, дослідження характеру ущільнення грунту навколо цих паль, аналіз одержаних результатів [4,5].

Апробація результатів дисертації.

Головні положення, які викладені в дисертаційній роботі, висвітлювались

- на 62-й, 63-й, 64-й та 65-й щорічних науково-технічних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури у 2001- 2004 рр.

- на міжнародній науково-технічній конференції „Геотехника Беларуси. Наука и практика”, БНТУ, м. Мінськ, Білорусія, 2003 р.

- на п’ятій всеукраїнській науково-технічній конференції „Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування”, НДІБК, Одеса, 2004 р.

Публікації. Одержані дані та результати досліджень опубліковано в п’яти друкованих роботах, в тому числі 3 – у наукових фахових виданнях, 2 – в збірниках наукових праць та тезах міжнародних і вітчизняних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 145 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається з вступу, шести розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 222 сторінок і містить 25 таблиць, 42 ілюстрації, список використаних джерел (136 найменування) та 5 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну та її практичну значимість.

У першому розділі наведено огляд і критичний аналіз існуючого обладнання для вдавлювання паль, методів експериментального та теоретичного дослідження взаємодії вдавлюваних паль з ґрунтом основи і визначення несучої здатності цих паль.

Огляд вдавлюючого обладнання за період з 1957 р. по 2002 р. довів, що пристрої для вдавлювання паль відрізняються різноманітною конструкцією і майже не мають серійного виробництва. Основна увага приділялась збільшенню вдавлюючого зусилля пристроїв та підвищенню їх продуктивності, а досягнуті вдавлюючі зусилля в 2000...2300 кН (установка ПВ-250 конструкції НВ ТОВ „Міліуса” та пристрій ГСЗМ-200 ЗАТ „Інженерний центр Трансзвук”) практично забезпечують можливість їх заводського виготовлення.

Недостатня вивченість процесів, що відбуваються при вдавлюванні паль, а саме: розподіл напружень та зусиль в ґрунті, зв’язок між вдавлюючим зусиллям та несучою здатністю паль, вплив швидкості заглиблення на зусилля вдавлювання, обумовили необхідність більш детального вивчення їх роботи в ґрунті. Цим дослідженням присвячені наукові роботи, здебільшого експериментального напрямку. Вагомий внесок у впровадження вдавлюваних паль в практику будівництва зробили В.Г.Абросімов, А.О. Бартоломій, Б.В. Бахолдін, І.П. Бойко, В.П. Буров, Ю.Л. Вінніков, Б.В. Гончаров, М.Л. Зоценко, І.А. Карпюк, П.О. Коновалов, М.В. Корнієнко, О.В. Литвин, А.Г. Маріупольский, М.С. Метелюк, О.В. Новський, Є.М. Перлей, А.І. Работніков, С.І. Рокас, С.В. Романов, А.В. Савінов, Ю.Г. Трофіменков, С.Й. Цимбал, В.Г. Ципріанович, О.В. Школа, Г.Я. Яременко. Додатково вивчалась взаємодія паль з ґрунтом основи в роботах Н.М. Герсеванова, Н.М. Глотова, В.Н. Голубкова, А.А. Гргоряна, М.С. Грутмана, Б.І. Далматова, В.І. Курдюмова, П.П. Личова, А.А. Луги, А.О. Олійника, Г.М. Петренка, І.Ф. Потапенка, Д.А.Романова, О.В Школи.

На основі проведених досліджень було встановлено, що суттєвий вплив на значення зусилля вдавлювання має швидкість заглиблення паль. Значна увага приділялась дослідженню формування ущільненої зони навколо палі в залежності від її геометрії (призматична, конічна, пірамідальна). Встановлено, що спосіб влаштування та початкова щільність грунту впливають на розміри і характер розповсюдження зони ущільнення. Проте між деякими результатами досліджень існує певна неузгодженість, тому виникає необхідність перевірки та детального аналізу цих результатів для одержання об’єктивної оцінки взаємодії вдавлюваних паль з ґрунтом основи.

Проведені дослідження несучої здатності вдавлюваних паль в різних ґрунтових умовах при лабораторних, напівнатурних та натурних статичних випробуваннях дали поштовх для пошуку теоретичного рішення. Проведений огляд дав змогу виділити три основні напрямки визначення несучої здатності вдавлюваних паль: перший – базується на використанні методики, що викладена в СНиП 2.02.03-85 (РСН 357-91, Л.Г. Маріупольський, І.А. Карпюк); друга – це визначення несучої здатності цих паль за величиною зусилля їх вдавлювання (Б.В. Бахолдін, Е.М. Перлей, Е.В. Свєтінський, ДБН В.3.1-1-2002, ТСН 50-302-96, Товмасян Е.А.); третя – за даними статичного зондування (Яременко Г.Я).

На сьогоднішній день головною методикою розрахунку несучої здатності вдавлюваних паль є методика, включена до СНиП 2.02.03-85 „Свайные фундаменты”, де вдавлювані палі прирівнюються до забивних. Проте, як показує практика, в більшості випадків визначення величини Fd вдавлюваної палі не забезпечує необхідної надійності, як правило, значно занижуючи розрахункове значення несучої здатності вдавлюваних паль порівняно з фактичними результатами.

У другому розділі наведено результати лабораторних модельних досліджень, метою яких було визначення різниці в несучій здатності висячих вдавлюваних і забивних моделей одиночних призматичних паль перерізом 35?35мм. Експеримент складався з трьох основних частин: перша – виявлення різниці між загальною несучою здатністю вдавлюваної та забивної моделі палі МП-1 (50см - стикована по 25см); друга – визначення розподілу несучої здатності між нижнім кінцем палі та її бічною поверхнею (паля МП-2 довжиною 32см); третя – встановлення розмірів деформованої зони грунту основи навколо стовбуру паль МП-1 та МП-2.

Експеримент виконувався в лотку Л-1 розмірами d = 500 мм, h = 560 мм з товщиною стінки 5 мм, який було розроблено в КНУБА раніше. Для моделювання використовувався пісок, дрібний, середньої щільності, неоднорідний, маловологий, кварцовий, алювіальний. За рахунок відпрацьованої методики вкладання грунту у лоток було досягнуто середню щільність піску в межах всього об’єму ?d = 1,73...1,75г/см3. Рівномірність вкладання піску в лоток при кожному його завантаженні контролювалась прямим відбором піску в ріжучі кільця діаметром 50мм та динамічним зондуванням легким ручним зондом з діаметром конуса 16 мм, де встановлювалась кількість ударів двокілограмового молота зонду за 10 см його проходження ґрунтового масиву.

Для палі МП-1 було проведено шість серій парних випробувань по встановленню несучої здатності при статичному та ударному методі її заглиблення. У всіх випадках несуча здатність була вищою для вдавлюваної палі порівняно із забивною і ця різниця складала від 11-30 %. Граничне кінцеве навантаження Fu на вдавлювану палю в піщаному ґрунті, завжди менше зусилля вдавлювання Fprs на 15-20%, що засвідчує процес релаксації напружень у ґрунті після зняття вдавлюючого навантаження. Таким чином, відношення

Fprs / Fu = ks (1)

становить 1,1-1,2. Крім того, встановлено, що енергія на влаштування паль ударним способом у більшості випадків до 10 % є більшою, ніж для вдавлюваних паль. Було зроблено висновок, що різниця в несучій здатності вдавлюваних та забивних паль головним чином обумовлена різними факторами формування напружено-деформованого ядра під нижнім кінцем паль, які викликані способом їх влаштування.

Для дослідної палі МП-2 було проведено три серії парних випробувань. Її конструкція забезпечувала можливість визначення несучої здатності окремо по нижньому кінці та бічній поверхні палі. Результати статичних випробувань показали, що в усіх випадках несуча здатність моделі вдавлюваної палі по її вістрю перевищує на 14 - 20 % результат для забивної палі. Проте несуча здатність по бічній поверхні моделі вдавлюваної палі на 39 - 52 % менше несучої здатності по бічній поверхні палі, влаштованої ударним методом. При обробці одержаних даних встановлено, що відносно загальної несучої здатності палі несуча здатність по вістрю і бічній поверхні для вдавлюваної палі становить 94 - 97 % і 3 - 5 % відповідно, а для забивної – 91 - 93 % та 7 - 9 %. Це пояснюється випиранням грунту у „вільну” зону, що утворюється між бічною поверхнею та вістрям палі при їх роздільному випробуванні.

Одержана різниця результатів випробувань несучої здатності моделей вдавлюваних і забивних паль вказала на різний характер взаємодії основи грунту з палями, що влаштовані різними методами. Пояснення цих відмінностей, звичайно, криється у характері ущільнення грунту, взаємній переупаковці його частинок та їхній взаємодії при впливі на основу статичного чи динамічного навантаження. Тому для уточнення та встановлення якісного показника розмірів деформованої зони вдавлюваних і забивних паль проведено модельні дослідження з використанням барвника (рис.1).

Рис. 1 Деформовані зони навколо вістря моделі палі МП-2 при її: вдавлюванні (а) та забиванні (б)

Експериментально встановлено, що зона деформування грунту під нижнім кінцем моделей паль є близькою, для вдавлюваної палі вона становить 1,6 d, а для забивної 1,4 d. В горизонтальному напрямку ці показники значно відрізняються: 5 d для забивної палі і 8 d – для вдавлюваної. Тут візуально помітно значно більшу випуклість ізолінії вгору для вдавлюваної палі, ніж при її забиванні, що засвідчує факт більшого випирання грунту при статичному заглибленні. Це дає можливість зробити висновок, що при вдавлюванні значна частина грунту переміщується разом з моделлю палі, і здебільшого в горизонтальному напрямку, а під час забивання моделі, за рахунок динамічної дії, частинки грунту зазнають значних переміщень безпосередньо біля тіла палі, які із збільшенням відстані швидко згасають.

Третій розділ присвячено проведенню напівнатурних випробувань вдавлюваних та забивних паль на дослідному майданчику, що складений алювіально-делювіальними пісками та супісками (рис. 2).

В якості напівнатурних дослідних паль використовувались залізобетонні палі (клас бетону В 20) перерізом 300?300 мм, довжиною 3 м та вістрям палі 30 см. Вдавлювання цих паль проводилося пристроєм ВП-250 з постійною швидкістю заглиблення 0,5 м/хв, а забивання паль-двійників виконувалася копровою установкою УР 500 на базі трактора С - 100.

Серії випробувань базувались на визначенні несучої здатності вдавлюваних та забивних дослідних паль: І – без лідерної свердловини (ДПВ-1, ДПЗ-1); ІІ – з лідерною свердловиною d = 150 мм, що влаштовувалась на глибину 1,5 м (ДПВ-2, ДПЗ-2); ІІІ – з лідерною свердловиною d = 300 мм глибиною 1,35 м (ДПВ-3, ДПЗ-3).

Навантаження паль при випробуванні здійснювалося за допомогою гідравлічного домкрату ДГ-220 з спиранням на завантажувальну платформу, в якості якої служив пристрій ВП-250. Дану установку було завантажено фундаментними блоками і дорожніми плитами. Методика проведення випробувань відповідала ДСТУ Б.В. 2.1-1-95 (ГОСТ 5686 - 94), СНиП 2.02.03-85.

Ці випробування підтвердили, що існує реальна різниця в несучій здатності між вдавленими та забивними палями. Крім того, виявлено, що значний вплив на несучу здатність як вдавлюваних, так і забивних напівнатурних паль має лідерна свердловина та відповідно її розміри.

Несуча здатність вдавлюваних напівнатурних паль у кожній серії випробувань перевищує результат аналогічної забивної палі. При цьому встановлено, що при деформації осідання 40 мм вдавлювана паля без лідерної свердловини ДПВ-1 мала кінцеве навантаження 300 кН, а забивна ДПЗ-1 – 275 кН (різниця 9 %), для палі ДПВ-2 при деформації осідання 40 мм було зафіксовано граничне навантаження 270 кН, в той час як результат ДПЗ-2 становив 220 кН (різниця склала 19 %). При навантаженні 230 кН дослідна паля ДПВ-3 одержала переміщення 40 мм, а ДПЗ-3 – 190 кН (різниця 17 %).

Відношення зусилля вдавлювання Fprs до граничного навантаження на палю Fu під час статичного випробування складає: для ДПВ-1 ks = 1,28, для ДПВ-2 – ks = 1,33, для ДПВ-3 – ks = 1,56.

На основі порівняння даних лабораторних і напівнатурних випробувань стає очевидно, що різниця в несучій здатності пов’язана з різним характером взаємодії грунту з палями. Це пов’язано не тільки з видом і станом грунту, глибиною влаштування лідерної свердловини, а й з характером ущільнення грунту навколо паль.

Для визначення характеру та надійної оцінки ущільнення грунту та зміни вологості основи навколо вдавлюваних і забивних паль використано комплексний підхід. Так, щільність грунту контролювалась: методом радіоізотопного дослідження, динамічного зондування за допомогою зонду ЛЗЗ-3, методом „ріжучого кільця” у відповідності до вимог стандарту, при розкопуванні палі на всю її глибину через кожні 50 см, а також визначалась зміна вологості ваговим методом. Крім того, вимірювання щільності проводились ручним пенетрометром. Слід відзначити, що дані дослідження проводилися тільки для паль, які були влаштовані без лідерної свердловини, тобто для ДПВ-1 та ДПЗ-1.

Таким чином було встановлено, що для забивної палі характерне збільшення щільності скелету грунту біля стовбура палі порівняно із вдавлюваною палею до 2…5 %, в той час як загальна відстань зони ущільнення від стовбура палі майже вдвічі більша у вдавлюваних, ніж у забивних паль. Це підтверджує картину характеру ущільнення грунту навколо паль, що одержані при лабораторних випробуваннях.

Четвертий розділ містить результати числового моделювання роботи вдавлюваної та забивної палі з ґрунтом основи.

Результати досліджень напівнатурних паль та моделей паль в лабораторії дозволили проаналізувати вплив напружено-деформованого стану основи на несучу здатність паль за допомогою числового моделювання з метою подальшого покращення визначення їх несучої здатності. Для виконання поставленої задачі було використано програмний комплекс „Лира 9.2” при реалізації таких вимог:

- головні напруження у1? у2? у3 задовольняють нерівність

у1?у2? у3=Rs, (2)

де Rs = 0 – граничне напруження на розтяг.

- виконано умови міцності у вигляді

F(у) ? 0, (3)

де F(у) – функціонал від у=( у1, у2, у3).

- виконано умову Кулона – Мора

F(у)= у0 sinц+S2(v3cosш+ sinц cosш)-3cЧcosц (4)

- для умови Друккера – Прагера

F(у)= 2у0 sinц+S2(3 - sinц)-6cЧcosц (5)

- для умови Боткіна

F(у)= у0 sinц+S2 - 2cЧcosц (6)

для двомірної задачі

F(у)= у1 - у2 + sinц(у1 + у2) - 2cЧcosц, (7)

де c > 0 – коефіцієнт зчеплення, ц – кут внутрішнього тертя, у0, S2, ш-інваріанти тензора напружень.

Для оцінки достовірності одержаних результатів числового моделювання вихідні дані для моделі задачі (ґрунтові умови, фізико-механічні показники ґрунтів, параметри та способи заглиблення паль) були вибрані за результатами випробувань паль ДПВ-1 та ДПЗ-1. Крім цього, для створення розрахункової схеми були використані результати досліджень (гама-каротаж, відбір зразків грунту ріжучими кільцями, динамічне зондування) характеру ущільнення основи залежно від дії статичного та динамічного навантаження. Форму ущільненої зони прийнято умовно за результатами лабораторних досліджень і уточнено за даними напівнатурного експерименту. На основі аналізу і систематизації цих даних попередньо було розроблено спрощену схему для числового моделювання (рис. 3).

За розрахунок розробленої скінченно - елементної моделі, одержані ізополя переміщень, які свідчать, що на перших ступенях завантаження (до 100 кН) прослідковується майже ідентичний характер осідання двох паль. Подальші завантаження показали більші деформації для забивної палі, яка першою досягла „зриву” порівняно із вдавлюваною. Одержані графіки S = f(N) підтверджують результати лабораторних і напівнатурних досліджень та прийняту гіпотезу формування ущільненого масиву грунту навколо цих паль. Одночасно за подальшим розрахунком було встановлено напружено-деформований стан грунту основи навколо вдавлюваної і забивної палі. Для порівняльної характеристики цих результатів вибрано ізополя переміщень та напружень при навантаженні на модель забивної і вдавлюваної палі 300 кН (рис. 4 – рис. 6), яке відповідає початку розвитку пластичних деформацій грунту.

Рис. 3 Розрахункова схема для числового моделювання роботи вдавлюваної (ДПВ-1) і забивної (ДПЗ-1) дослідних паль у реальних геологічних умовах. 1, 1а – ущільнені зони піщаного грунту та 2, 2а - ущільнені ділянки супіску навколо вдавлюваної та забивної паль відповідно

Характер зміни ізополів переміщень (рис. 4) засвідчує, що за умови однакового навантаження більшого осідання зазнала забивна паля – 17,1 мм, ніж вдавлювана – 16,0 мм. При цьому розміри деформованих зон грунту навколо моделей паль є різними, особливо в горизонтальному напрямку. Досить характерно це відслідковується на відстані до 2 d від грані палі. Для вдавлюваної палі (рис. 4а), зона найбільших переміщень для ІГЕ-1 становить 1,5 d, а при переході в ІГЕ-2 вона зменшується до 0,8 d. Це пояснюється більшою стисливістю супіску ІГЕ-2 при статичному навантаженні, порівняно з піском ІГЕ-1, для якого переміщення передаються на більші відстані. Така ж картина є характерною і для забивної палі (рис. 4б), але зона переміщень при цьому значно менша. Тут вона складає 0,7 d для ІГЕ-1 і 0,3 d – для ІГЕ-2. За глибиною зони активних переміщень грунту майже однакові і становлять 4 d для вдавлюваної та 3,7 d – для забивної паль.

Розповсюдження напружень ?х (рис. 5) для вдавлюваної і забивної моделей паль мало майже ідентичний характер. На різницю тут впливають загальні розміри зони їх поширення, яка є ненабагато більшою для вдавлюваної палі (рис. 5а). Крім того, відчутна вища концентрація напружень на рівні вістря палі, що призводить до утворення зони з їх розповсюдженням на відстань 1,2 d від поверхні стовбура для вдавлюваної та 1,0 d для забивної паль. Проте величина напружень є дещо більшою для забивної палі, що обумовлено вищим рівнем ущільнення грунту навколо палі.

Найбільш виразна картина поширення напружень в ґрунті для вдавлюваної і забивної моделей паль відслідковується за ?z (рис. 6). Тут, під нижнім кінцем забивної палі, концентрація і значення напружень є більшими і складають 200 кПа порівняно зі 190 кПа для вдавлюваної палі. Проте, з глибиною, на відміну від результатів вдавлюваної палі, їх значення різко згасають. І тільки на певній глибині, разом з напруженнями, що виникають від власної ваги грунту, вони знову поновлюються. Крім цього, характер розповсюдження напружень по підошві палі та її бічній поверхні (з врахуванням попередньо змодельованої ущільненої зони) відносно осі Z також різниться. Так, для вдавлюваної палі цей кут складає близько 57°, а для забивної - 52°. Слід відмітити, що ізополя напружень ?z вдавлюваної палі фіксують зони на поверхні масиву, де відбувається суттєве зменшення їх значень, які близькі до можливого руйнування (розриву) грунту. Поширення цих зон відбувається на відстань 7 d.

Необхідно вказати на спрощення, які були прийняті при визначенні розрахункових схем: ущільнена зона має умовну межу; її форма прийнята однаковою для вдавлюваних та забивних паль і не враховує руйнування грунту з поверхні; ?d, мах, Е0 до Емах змінюється досить нерівномірно. Відповідні зміни Е як середніх характеристик приймалися з врахуванням загального характеру їх зміни для даних ґрунтів. Таке відтворення середніх характеристик також наближено відображає стан ґрунтового масиву у виділених ділянках.

Але, незважаючи на це, можна відзначити і позитивні фактори, які були виявлені при розв’язанні цієї задачі: одержана якісна оцінка гіпотези формування ущільненої зони грунту навколо вдавлюваної та забивної напівнатурних паль; уточнено вплив тих чи інших характеристик грунту на несучу здатність паль; проведені дослідження по створенню розрахункової схеми, що відповідають характеру основи та зони можливих змін у ній при влаштуванні паль, вказали на складність цього завдання, оскільки величина та розміри зон пластичних деформацій пов’язані як із якістю грунту, так і з глибиною влаштування паль, їх перерізами та ін. Тому прийняті теоретичні гіпотези виникнення пластичних деформацій у різних точках масиву можуть реалізовуватися порізному.

П’ятий розділ містить результати статичних випробувань натурних призматичних вдавлюваних паль у реальних ґрунтових умовах.

На 10-ти дослідних майданчиках, що знаходилися в місті Києві та Київській області, за сприяння НВ ТОВ „Міліуса”, було проведено 29 польових випробувань натурних паль, з них 27 - на вдавлююче та 2 - на висмикувальне навантаження. Ці майданчики були складені переважно піщаними ґрунтами, що дало змогу мати максимально близькі ґрунтові умови до тих, які були прийняті при лабораторних та напівнатурних дослідах. Всі вони розміщувалися в межах першої надзаплавної тераси правого та лівого берега р. Дніпра, лівого схилу долини р. Либідь та на південній межі Київської моренно-зандрової рівнини. Дослідні палі були заглиблені у дрібні піски середньої щільності.

Перерізи дослідних натурних паль становили 200?200 мм, 300?300 мм та 350?350 мм. Довжина паль на дослідних майданчиках коливалась у межах від 6 м до 15 м. Вдавлювання всіх дослідних натурних паль здійснювалося з постійною швидкістю 0,5 м/хв за допомогою палевдавлюючого пристрою ВП-250. Заглиблення дослідних паль відбувалося із застосуванням різних технологічних прийомів, що в подальшому дозволили встановити їх вплив на значення несучої здатності паль, зусилля їх вдавлювання та власне на сам процес вдавлювання.

Статичні випробування проводилися у відповідності до діючих стандартів ДСТУ Б. В. 2.1-1-95. В якості завантажувальної платформи використовувався пристрій ВП-250. У роботі приводяться графіки S = fN для кожної палі. Несуча здатність дослідних натурних паль знаходиться в межах від 400 кН до 1900 кН.

Порівняння результатів випробувань дослідних паль на статичне вдавлююче та висмикувальне навантаження виявили значну кількість факторів, які впливають на несучу здатність вдавлюваних паль.

Серед них слід виділити основні: ґрунтові умови (вид, стан ґрунтів та їх нашарування); довжина дослідної палі; геометричні розміри поперечного перерізу палі; наявність лідерної свердловини при влаштуванні палі та технологія її виконання; зусилля вдавлювання палі; термін „відпочинку” після влаштування палі до її статичного випробування.

Крім того, було встановлено, що співвідношення між зусиллям вдавлювання та несучою здатністю вдавлюваних паль як величина ks, в залежності від встановлених факторів впливу на несучу здатність цих паль, лежить в діапазоні від 1,00 до 1,74.

Підвищення несучої здатності вдавлюваних паль можна додатково досягти: замиванням грунту навколо стовбуру вдавлюваної палі в разі влаштування лідерної свердловини; при використанні трубчатого шнеку для влаштування лідерної свердловини, що дозволяє проводити роботи без виїмки грунту, тобто ущільнюючи його в сторони; подвійним вдавлюванням, яке дозволяє додатково ущільнити грунт під нижнім кінцем паль після релаксації напружень у піщаних ґрунтах. Одночасно, це є методами зменшення деформацій одиночних паль.

У шостому розділі подані методики визначення несучої здатності вдавлюваних паль за величиною зусилля їх вдавлювання та за даними статичного зондування. Вказується на впровадження одержаних методик у практику будівництва.

Тут забезпечувалася парність визначення несучої здатності паль в ідентичних ґрунтових умовах. Відомо, що розрахункові величини опору грунту під нижнім кінцем палі (R) та по її бічній поверхні (fі)залежать не тільки від ґрунтових умов, а й від параметрів паль, технології їх влаштування, наявності лідерної свердловини, терміну відпочинку та інших факторів (рис. 7).

Інші палі, що не увійшли до цих груп, відрізнялися за технологією влаштування, яка призвела до певної зміни несучої здатності вдавлюваних дослідних паль. Загалом кількість паль, результати випробувань яких підлягали статистичній обробці, становили не менше шести в кожній групі. Ця величина, визнана найменшою для можливої статистичної обробки результатів із забезпеченням необхідної їх точності.

За допомогою математичної статистики для цих трьох груп величин Fu та Fprs було проаналізовано кореляційні зв’язки. Проведені обчислення дали такі значення коефіцієнту кореляції: для першої групи він складає 0,99, для другої – 0,96, а для третьої - 0,95. Завдяки одержаній графічній залежності можна попередньо встановити очікувану несучу здатність вдавлюваної палі за зусиллям її вдавлювання в залежності від її параметрів та технології їх влаштування, для ґрунтових умов м. Києва та Київської області.

Характер кореляційних прямих зафіксував вплив на несучу здатність вдавлюваних паль таких факторів, як: наявність лідерної свердловини, зменшення поперечного перерізу паль, величина зусилля вдавлювання. Відповідно, для паль, що влаштовані без лідерної свердловини, співвідношення ks = Fprs/Fu (зусилля вдавлювання до величини несучої здатності паль при Su = 20 мм) – найкраще і прямує до 1,0. Це значення збільшується при наявності лідерної свердловини та зменшенні перерізу палі.

Встановлені фактори впливу на несучу здатність вдавлюваних паль та взаємозалежності між ними дозволили запропонувати формулу для визначення несучої здатності вдавлюваних паль в піщаних ґрунтах за величиною їх вдавлюючого зусилля, у вигляді:

Fd = гprs гlid гh гtech Fprs, (8)

де гprs - коефіцієнт, що залежить від зусилля вдавлювання палі (табл. 1);

гlid - коефіцієнт, що залежить від наявності лідерної свердловини (табл. 2);

гh - коефіцієнт, що залежить від заглиблення нижнього кінця паль у несучий шар грунту непорушеної структури Нзагл (табл. 3);

гtech - коефіцієнт, що залежить від додаткових заходів при влаштуванні палі: подвійне вдавлювання через певний проміжок часу, замивання грунту навколо палі, поєднання цих операцій. При цьому зміна коефіцієнту коливається в межах 1,0...1,15. У випадку відсутності цих процесів гtech = 1,0;

Fprs – зусилля вдавлювання палі, кН. |

Рис. 7 Схема до пояснення впливу факторів на несучу здатність вдавлюваних паль. 1, 2, 3, 4 - відповідні області (ділянки), вплив на які враховують коефіцієнти гprs, гlid, гh, гtech.

Таблиця 1

Значення коефіцієнта гprs

Максимальна величина зусилля вдавлювання Fprs, кН | гprs

=600 | 0,65

600...899 | 0,70

900...1199 | 0,75

1200...1499 | 0,80

1500...1800 | 0,85

>1800 | 0,90

Таблиця 2

Значення коефіцієнта гlid

Наявність лідерної свердловини | гlid

при діаметрі свердловини, що рівний стороні палі | 0,80

при діаметрі свердловини на 0,05 м менше сторони палі | 0,85

влаштування лідерної свердловини трубчатим буром | 0,95

при діаметрі свердловини на 0,15 м менше сторони палі | 0,97

відсутність лідерної свердловини | 1,00

Таблиця 3

Значення коефіцієнта гh для паль перерізом 300?300 мм та 350?350 мм

Величина заглиблення нижнього кінця палі в суцільний грунт основи (пісок) непорушеної структури | г h

Нзагл ? 1,2 м | 0,90

1,2 м < Нзагл ? 3,0 м | 1,00

Нзагл > 3,0 м | 1,05

Примітка: для паль меншого перерізу коефіцієнт гh приймати 0,85.

Формула (8) фактично ідентична формулі (1), за винятком того, що значення коефіцієнту ks тут розкрито з врахуванням основних факторів, що впливають на несучу здатність вдавлюваних паль, тобто:

ks = гprs гlid гh гtech (9)

За даними табличних значень (табл. 1 – 3), діапазон зміни ks коливається в межах від 0,47 до 1,2. Формула (8) не включає параметри, які характеризують ґрунтові умови та швидкість заглиблення палі, що на думку багатьох вчених має певний вплив на формування несучої здатності вдавлюваних паль.

На основі проведених досліджень можна встановити, що зусилля вдавлювання є величиною, що інтегрально враховує ґрунтові умови, в яких влаштовується паля, та формує в оточуючому ґрунті зміну напружено-деформованого стану основи. Відсутність характеристики швидкості зумовлена тим, що ця складова була постійною (v = const = 0,5 м/хв) при влаштуванні всіх дослідних паль.

Статичні випробування показали, що для вдавлюваних паль довжиною більше 10 м, влаштованих з зусиллям 1500 кН і вище, бічна поверхня яких складена пилувато-глинистими ґрунтами з показником консистенції ІL > 0,3 і при терміні „відпочинку” понад 10 діб, буде справедливе рівняння:

Fd Fprs (10)

Проте застосування цієї формули обмежується малою кількістю статичних випробувань і, як наслідок, недостатнім вивченням зміцнення грунту в часі навколо вдавлюваної палі в глинистих ґрунтах. Тому визначення несучої здатності за формулою (10) може прийматись лише як попереднє і обов’язково підкріплюватись статичним випробуванням.

При наявності даних статичного зондування зондом ІІ-го типу, для визначення несучої здатності вдавлюваних паль буде справедливе рівняння, яке має вигляд:

Fd = (гprs гq Rs A + гlid u Уві fsі hі) гtech гт, (11)

де гprs – коефіцієнт, що залежить від зусилля вдавлювання (табл. 4);

гq – коефіцієнт опору грунту під нижнім кінцем зонду (табл. 5);

Rs – граничний опір грунту під нижнім кінцем палі за даними статичного зондування кПа, (тс/м2);

A – площа перерізу палі, м2;

гlid – коефіцієнт, що залежить від наявності лідерної свердловини (табл. 6). Його прийнято таким же, як і у формулі (8), оскільки механізм роботи вдавлюваної палі - однаковий;

u – периметр поперечного перерізу палі, м;

ві – коефіцієнти, що приймаються по табл. 15 СНиП 2.20.03-85;

fsі- середнє значення опору і-го шару грунту по бічній поверхні зонду, кПа;

hі – товщина і-го шару грунту, м.

гtech – коефіцієнт, що залежить від технології влаштування палі (див. формулу 2). Діапазон його зміни в межах 1,0...1,25;

гт – коефіцієнт, що залежить від терміну відпочинку при