Особливості взаємодії паль, заглиблених вдавлюванням, з ґрунтом основи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Структурна перебудова економіки в останні десятиліття привела до переорієнтації значної частини організацій і фірм з типового будівництва на вільних територіях на реконструкцію, підсилення, модернізацію існуючих будинків і споруд, а також на нове будівництво в складних умовах міської забудови зі збереженням історичних і архітектурних пам'ятників, що вимагає прийняття нестандартних рішень, зокрема, використання вдавлених паль.

Актуальність теми обумовлена, з одного боку, необхідністю влаштування фундаментів нових об'єктів, чи на таких, що відбувається реконструкція, в безпосередній близькості до будинків і споруд, що експлуатуються. З іншого боку, існуюча нормативна і літературна база, впровадження нових ощадних технологій і техніки відстають від змін, що відбулися, у будівництві. Діючі Норми, практично, не ураховують різницю між роботою вдавлених і забивних паль, в них відсутні рекомендації по визначенню взаємного впливу існуючих і щойно влаштованих фундаментів.

Мета роботи - визначити особливості роботи вдавлених висячих призматичних паль і взаємний вплив одиночних паль, що знаходяться під дією статичного вертикального стискуючого навантаження, а також розробити відповідні пропозиції по уточненню існуючої методики їхнього розрахунку.

Задачі досліджень:

- експериментальне вивчення параметрів взаємодії заглиблених вдавлюванням та забивкою моделей призматичних паль з піщаним ґрунтом у лабораторних умовах;

- дослідження взаємного впливу двох по черзі вдавлених моделей призматичних паль з різним ступенем навантаження на їхню несучу здатність і додаткові осідання;

- уточнення існуючих і розробка нових пропозицій по прогнозуванню несучої здатності та осідань висячих призматичних паль у піщаних ґрунтах, а також розмірів зон активного ущільнення і силового впливу в навколопальовому ґрунті;

- натурні дослідження роботи вдавлених і забивних висячих призматичних паль у супіщаних ґрунтах м. Одеси. Порівняння результатів розрахунку несучої здатності зазначених паль з дослідними даними;

- уточнення відомих і розробка нових рекомендацій з урахуванням впливу рівня навантаження, відстані між існуючою і щойно вдавленою палею на додаткове осідання існуючої і несучу здатність вдавленої палі в різних піщаних ґрунтах.

1. Огляд сучасного стану експериментальних і теоретичних досліджень взаємодії вдавлених паль із ґрунтом, існуючих методів їхнього розрахунку на статичне вертикальне вдавлююче навантаження

Сформульовані мета і задачі досліджень. Вагомий внесок у розробку технології заглиблення паль вдавлюванням і уточнення методів розрахунку їхньої несучої здатності внесли А.О. Бартоломей, Б.В. Бахолдін, І.П. Бойко, В.Т. Бугаєв, Ю.Л. Вінніков, М.С. Гайдай, С.В. Гдалін, Е.М. Гендель, А.Л. Готман, Б.І. Далматов, А.І. Догадайло, М.П. Дубровський, М.Л. Зоценко, В.О. Ільїчов, Л.І. Колєсніков, П.О. Коновалов, М.В. Корнієнко, С.Й. Кущак, Ф.К. Лапшин, Е.І. Мулюков, О.В. Новський, Є.М. Перлєй, М.Б. Пойзнер, А.Б. Пономарьов, С.В. Романов, А.В. Савінов, Є.В. Свєтінський, С.Н. Сотніков, Ю.Ф. Тугаєнко, В.М. Уліцький, Г.І. Чорний, А.Г. Шашкін, О.В. Школа, П.І. Яковлєв, П.І. Ястребов та ін.

Дослідження І.П. Бойко, В.О. Грішина, А.А. Ілюшина, С.Ф. Клованіча, В.В. Ковтуна, В.В. Соколовського, О.В. Школи та інших учених дозволяють більш широко використовувати моделі, що характеризують різні пружно - пластичні властивості матеріалів при розв'язанні складних задач взаємодії споруд, в тому числі паль, з контактуючим ґрунтом.

Застосування вдавлених паль зумовлене відсутністю динамічних впливів на ґрунт основи, високою точністю заглиблення, безупинним контролем за опором паль вдавлюванню і, отже, їхньою несучою здатністю, порівняно низькою енергоємністю, доступністю й екологічною чистотою.

Нормативні документи, які регламентують роботу вдавлених паль, рекомендують виконувати розрахунок їхніх основ по I групі граничних станів за методикою СНиП 2.02.03-85 з наступною перевіркою осідань за рекомендаціями цих же Норм, а також СНиП 2.02.01-83. Як альтернативна, довела на практиці свою ефективність методика розрахунку паль по II групі граничних станів.

Огляд літератури показав, що для широкого впровадження в практику будівництва ефективного способу заглиблення паль вдавлюванням необхідно вміти вірогідно визначати в конкретних ґрунтових умовах розрахунковий опір ґрунту основи одиночної палі при заданому осіданні або розрахункову несучу здатність ґрунту основи палі, осідання палі як окремо розташованого фундаменту чи в складі куща, граничне зусилля вдавлювання; відстань між палями, при якій їхній взаємний вплив і вплив на сусідні фундаменти стає мінімальним; час “відпочинку” палі, який необхідно вичікувати перед передачею на неї розрахункового навантаження.

2. Комплекс лабораторних і натурних досліджень

Аналіз умов моделювання змішаної задачі теорії лінійно-деформівного середовища і середовища теорії граничної рівноваги показав, що спільна робота висячої палі з навколишнім ґрунтом у початковій стадії до появи “зсувного” осідання може бути охарактеризована за допомогою розрахункової моделі лінійно-деформівного середовища, а при досягненні “зсувного” осідання по бічній поверхні - моделі середовища теорії граничної рівноваги, під п'ятою палі - моделі пружно-пластичного середовища при описі процесів, що відбуваються в навколопальовому ґрунті як у натурі, так і на моделях. При використанні для моделі того ж незв'язного ґрунту, такої ж щільності, що й у натурі розглянуті умови моделювання перетворюються в найпростішу геометричну подібність. Виходячи з цього, усі модельні досліди виконували в піщаному ґрунті.

Лабораторні дослідження взаємодії моделей призматичних паль з піщаним ґрунтом були розбиті на три серії. У перших двох вивчали вплив способу заглиблення на параметри працездатності одиночних вдавлених (I серія) і забивних (II серія) паль в ідентичних ґрунтових умовах. У III серії визначали взаємний вплив паль у процесі почергового їхнього вдавлювання і навантаження.

Модельні дослідження виконані з використанням математичної теорії планування експерименту. У перших двох серіях в якості дослідних обрані фактори: Х1- середня крупність зерен піску (D=0,2; 0,5; 0,8 мм),Х2- його щільність у сухому стані (сd=1,30; 1,45; 1,60 т/м3) і Х3- вологість піску (W=0; 0,035; 0,070).

У третій серії при сталій вологості піску W=0,035 змінювали: Х1 - відстань між осями моделей паль (L=4,5d; 6,0d; 7,5d), Х2- середню крупність зерен піску (D=0,2; 0,5; 0,8 мм), Х3- його щільність у сухому стані (сd=1,30; 1,45; 1,60т/м3).

Експерименти виконували по повному факторному, близькому за властивостями до Д - оптимального, трьохрівневому плану Бокса В3 у вдосконаленому кафедральному лотку. Модель призматичної палі мала співвідношення геометричних розмірів з натурою 1:12. Кожен рядок плану дублювали двома чи трьома дослідами.

Піщаний ґрунт заданої планом крупності і щільності пошарово вкладали в сухому стані в лоток, а потім, також пошарово, зволожували розрахунковою кількістю води. У дослідах з використанням сухого піску перед розбиранням лотка його зволожували для того, щоб ґрунт не обсипався.

Побутовий тиск насипного шару ґрунту штучно створювали шляхом укладання зверху на ґрунт у лотку металевої пластини з пригрузом.

Заглиблення моделей паль здійснювали за допомогою спеціальних гвинтового вдавлюючого і забивного пристосувань. Зусилля вдавлювання вимірювали динамометром. Вагу ударної частини пристосування і висоту його падіння визначали дослідним шляхом з таким розрахунком, щоби кількість ударів складала 100±5.

Осідання паль вимірювали індикаторами годинного типу.

Форму і розміри активної зони ґрунту в лабораторних умовах визначали за переміщеннями фіксаторів, які розташовувалися горизонтальними рядами, і утримувалися в такому положенні до заповнення лотка піском з пошаровим його ущільненням за допомогою натягнутих сталевих спиць. Спиці витягали з лотка перед заглибленням моделі палі. Фіксатори мали можливість переміщуватися як у процесі формування зони активного ущільнення ґрунту при заглибленні моделі палі, так і в процесі розвитку зони деформації при її навантаженні. Одночасно з зачищенням у вертикальній площині, яка містила в собі ось палі, відбирали зразки ґрунту для визначення його щільності в межах зони ущільнення.

Тиск у ґрунті навколо дослідних паль в процесі їхнього заглиблення і навантаження вимірювали за допомогою датчиків тиску (месдоз), розташованих ланцюжками по висоті і ширині лотка.

Після умовного “відпочинку” заглибленої вдавлюванням чи забиванням моделі палі через 3...4 доби до неї прикладали статичне вертикальне навантаження за 8...12 ступеней з витримкою до умовної стабілізації осідання і виконанням усього комплексу вимірів.

При вивченні взаємного впливу двох сусідніх паль відповідно до прийнятої схеми вдавлювали першу модель палі С-1. Після умовного “відпочинку” через 3 доби до неї ступенями прикладали вертикальне статичне вдавлююче навантаження величиною 75% від зусилля вдавлювання. Після повної стабілізації осідання S1 палі С-1 через добу вдавлювали другу модель палі С-2 з усіма вимірами, в тому числі додаткового осідання першої палі S12, обумовленого заглибленням і навантаженням після відпочинку другої палі.

Комплексні натурні дослідження роботи призматичних паль були проведені відповідно до договору №2473 від 18.02.98 між ОДАБА й ВАТ “Стікон” у Приморському районі м. Одеси на майданчику з лесовими супіщаними і суглинними ґрунтами I типу по просадності. Усього були випробувані дві вдавлені в супіщаний ґрунт з мінімальним питомим зчепленням (4 кПа) залізобетонні призматичні палі з поперечним перерізом 0,350,35 м і довжиною 6 м, дві забивні такої ж довжини і одна вдавлена паля довжиною 15 м за стандартною методикою з використанням вертикальних ланцюжків месдоз марки ПДП-70/11-10 для виміру тиску в ґрунті, магнітних марок для фіксації зон активного ущільнення і деформацій ґрунту.

Заглиблення натурних паль здійснювали палевдавлюючою установкою, розробленою ВАТ “Стікон”, на базі гусеничного крана МКГ-25 із застосуванням статичного додаткового навантаження і палебійним агрегатом СА-25 на базі гусеничного крана МКГ-25 з дизель-молотом С994.

Навантаження на дослідні 6 ти метрові палі передавали через завантажувальні платформи після їхнього тритижневого “відпочинку”, а випробування 15 ти метрової палі виконували за допомогою гідравлічного домкрата марки ДГО-200.

3. Результати експериментальних досліджень взаємодії моделей вдавлених і забивних одиночних паль з піщаними ґрунтами

У процесі обробки даних дослідів, виключення незначущих і перерахунку коефіцієнтів, що залишилися у рівняннях регресії отримані адекватні математичні моделі основних вихідних параметрів перших двох серій дослідів:

зусилля вдавлювання палі, F1,

, кН; (1)

несучої здатності вдавленої палі, Fd1,

,кН; (2)

відношення несучої здатності палі до зусилля її вдавлювання,

,; (3)

 несучої здатності забивної палі, Fd2,

, кН; (4)

узагальненого коефіцієнта умов роботи вдавленої палі в ґрунті,

, ; (5)

енергії заглиблення забивної палі, ,

, Дж; (6)

питомої несучої здатності забивної палі, :

, Н/Дж; (7)

відносних діаметрів активної зони під нижнім кінцем палі, :

- вдавленої палі

; (8)

- забивної палі

; (9)

 відносних діаметрів активної зони в голові, :

- вдавленої палі

; (10)

- забивної палі

;(11)

відношення об/ємів активних зон до об/єму паль, :

- вдавлених паль

; (12)

- забивних паль

; (13)

осідань вдавлених моделей паль, SI,

, мм; (14)

осідань забивних моделей паль, SII,

, мм; (15)

коефіцієнта, що ураховує вплив способу заглиблення палі на її осідання,

 . (16)

Виконанні дослідження дозволили знайти істотні відмінності в роботі вдавлених і забивних моделей висячих паль. Так, наприклад, відношення несучої здатності вдавлених до несучої здатності забивних паль для різних ґрунтових умов коливається в межах 0,6...1,2, а відношення несучої здатності вдавлених паль до зусилля їхнього вдавлювання - 0,8...1,0.

Виконані дослідження підтвердили наявні дані про те, що при достатньому заглибленні вдавленої палі випирання ґрунту під її нижнім кінцем носить внутрішній локальний характер. Частки ґрунту, розташовані значно нижче п'яти палі, переміщуються, переважно, вниз з відхиленням в сторони, а поблизу п'яти палі - у горизонтальному напрямку з незначним відхиленням нагору.

Виміри тиску у ґрунті показали, що як при забиванні, так і при вдавлюванні, у відносно вузькій смузі, поблизу п'яти палі виникає зона концентрації як горизонтальних, так і вертикальних напружень які, до 10 разів перевищують напруження в інших рівнях (по Б.В. Бахолдіну і П.І. Ястребову пікові напруження). При подальшому заглибленні палі спостерігається переміщення зазначеної зони разом зі зсувом п'яти палі вниз і різке падіння пікових напружень, звідкіля можна зробити висновок, що ґрунт не являється пружним матеріалом навіть після його доущільнення.

Характерно, що зі збільшенням глибини значення пікових, робочих і залишкових напружень у ґрунті по довжині стовбура палі зростають, а при віддаленні від її осі - зменшуються.

Горизонтальний тиск у ґрунті по довжині палі в 2,5-5,0 раз перевищує вертикальний. Під п'ятою палі робочі, а потім, і залишкові напруження перевищують пікові, в середньому, відповідно, у 1,8 і 1,3 рази.

Відмінності у формуванні зони активного ущільнення ґрунту обумовлюють також більші (в середньому, на 20%) осідання вдавлених паль у порівнянні з забивними. При середніх значеннях крупності, щільності піску і відсутності його вологості переважаючими є осідання забивних паль, а зі збільшенням вологості піску - вдавлених.

У четвертому розділі висвітлені особливості спільної роботи двох по черзі вдавлених і навантажених моделей паль з навколишнім піщаним ґрунтом. Кількісний і якісний вплив дослідних факторів на основні параметри працездатності двох поруч розташованих моделей призматичних висячих паль виражається математичними моделями:

основне осідання палі С-1, S1,

, мм; (17)

додаткове осідання палі С-1 при вдавлюванні і навантаженні палі С-2, S12,

, мм; (18)

відношення додаткового осідання до основного, КS12=S12/S1,

; (19)

залежність додаткового осідання палі С-1 від рівня навантаження (гК) на неї

, мм; (20)

зусилля вдавлювання палі С-2, F2,

, кН; (21)

несуча здатність палі С-2, Fd3,

, кН; (22)

відношення несучої здатності до зусилля вдавлювання палі С-2,

К5=Fd3/F2, ; (23)

осідання палі С-2, S2,III,

мм. (24)

При вдавлюванні і наступному навантаженні моделі палі С-2 спостерігається значне додаткове осідання S12 першої моделі палі С-1, яке перевищує, в середньому, у 2,3 рази основне осідання цієї ж палі, набуте в процесі її навантаження до рівня 0,75 від зусилля вдавлювання, (Fd1/1,2). При цьому, близько 80% осідання S12 проявляється напротязі невеликого проміжку часу заглиблення палі С-2 і 20% - у процесі її навантаження.

При прийнятому діапазоні зміни дослідних факторів найбільший вплив на величину S12 робить щільність піску (103%), потім - відстань між осями паль (63%) і крупність піску (14%). Очевидно, що зі зменшенням L до 3d переважаючим по величині впливу на зазначений вихідний параметр виявиться відстань між осями сусідніх паль.

Додаткові досліди при фіксованих “нульових” рівнях зміни дослідних факторів (L=6d; Д=0,5мм; сd=1,45т/м3; W=0,035) показали, що зі збільшенням рівня навантаження на палю С-1 від 0,53F до 0,75F (зменшенні коефіцієнта надійності по навантаженню гk з 1,7 до 1,2) додаткові її осідання при вдавлюванні і навантаженні сусідньої такої ж палі С-2 зростають не лінійно в 6,7 рази.

При почерговому вдавлюванні і навантаженні двох сусідніх моделей паль, практично, у всіх дослідах III серії спостерігали накладення пікових і робочих напружень в навколопальовому ґрунті, що і послужило причиною появи додаткових осідань палі С-1, зменшення, порівняно з одиночною несучої здатності палі С-2, в середньому, на 8% і збільшення її осідання на 30%.

В основу приведеної в п'ятому розділі блок-схеми розрахунку вдавлених висячих призматичних паль за I і II групами граничних станів покладені рекомендації діючих нормативних документів з уточнюючими пропозиціями автора. При цьому, з метою уникнення випадкових помилок і зменшення впливу масштабного фактора при підготовці пропозицій по уточненню розрахунку зазначених паль в піщаних ґрунтах були використані ті математичні моделі, які відображають порівняльні характеристики їхньої роботи (наприклад, відношення несучої здатності вдавлених до несучої здатності забивних моделей паль).

Розрахункову несучу здатність висячої вдавленої палі рекомендується визначати за формулою (1) блок-схеми, яка відрізняється від формули (8) СНиП2.02.03-85 тим, що замість одного коефіцієнта умов роботи гс1=1 пропонується використовувати два коефіцієнти гс1 і гс2. В основі виразу (4) блок-схеми для уточнюючого коефіцієнта гс1, який інтегрально ураховує особливості роботи вдавлених паль стосовно забивних, лежить математична модель (5). Можливе зниження несучої здатності щойно вдавленої палі через наявність по сусідству такої ж навантаженої палі (кущовий ефект) ураховується коефіцієнтом гс2.

Запропонована методика дозволяє також визначати несучу здатність вдавленої палі за результатами випробування аналогічної забивної палі в ідентичних ґрунтових умовах за допомогою залежності (2) блок-схеми.

Найбільш простою і вірогідною видається оцінка несучої здатності палі через зусилля її вдавлювання за допомогою коефіцієнта KF (виразу (11), отриманого з моделі (3).

Порівняння дослідних і розрахункових значень несучої здатності натурних 6 ти і 15 ти метрових висячих призматичних паль показало, що рекомендації нормативних документів РСН-357-91, ВСН 16-84, ДБН В.3.1-1-2002 і деяких дослідників, в тому числі автора, визначати їхню несучу здатність через граничне зусилля вдавлювання, в цілому, забезпечують задовільну збіжність прогнозу і даних експериментів.

Прогноз осідань (формула (12) блок-схеми) висячої призматичної вдавленої палі під навантаженням у піщаних ґрунтах рекомендується здійснювати або за рекомендаціями додат.4 СНиП 2.02.03-85 як одиночної палі без розширення, або за СНиП 2.02.01-83 як заглибленого умовного фундамента на природній основі з використанням коефіцієнтів KS і гC,S , які ураховують, відповідно, вплив способу заглиблення палі вдавлюванням і наявність поруч розташованої такої ж навантаженої (гk=1,2) палі.

Додаткове, не ураховане діючими нормативними документами, осідання існуючої навантаженої палі, що проявляється при вдавлюванні і наступній роботі сусідньої такої ж палі, може бути визначене за формулою (15) блок-схеми по відомому зміряному чи визначеному розрахунком основному осіданню цієї палі шляхом урахування відстані між ними, характеристик піщаного ґрунту і рівня її навантаження за допомогою коефіцієнтів KS,12 і Kгk (вирази (16) і (17)).

Висновки

призматичний заглиблений деформівний

1. Вдавлювання є одним із найбільш надійних, простих і екологічно чистих способів заглиблення паль, що дозволяє виконувати роботи не тільки зовні, але й усередині аварійних будинків, безупинно контролювати опір палі заглибленню і, отже, її несучу здатність.

2. Незадовільна збіжність розрахункових величин несучої здатності вдавлених паль з експериментальними даними пояснюється як недосконалістю діючих нормативних документів, так і тим, що вони не ураховують специфіку роботи паль, заглиблених таким способом. Найбільші розбіжності зафіксовані для коротких призматичних і циліндричних паль.

3. Проведені експериментальні дослідження дозволили виявити вплив основних характеристик піщаного ґрунту на зусилля вдавлювання, енергію заглиблення, розміри зони активного ущільнення, несучу здатність, осідання та інші параметри працездатності одиночних висячих вдавлених і забивних призматичних паль, їхній взаємозв'язок; визначити взаємний негативний вплив двох по черзі вдавлених і поряд розташованих паль на їхню несучу здатність і додаткові осідання.

4. Встановлено залежність додаткового осідання одиночної висячої призматичної палі, обумовленої заглибленням і роботою такої ж сусідньої палі.

5. Введення у формулу (8) СНиП 2.02.03-85 поправочних коефіцієнтів умов роботи ґрунту під нижнім кінцем і по бічній поверхні палі, які більш повно ураховують технологію її заглиблення, а також запропонованих автором коефіцієнтів умов роботи вдавленої палі в ґрунті гC1, гC.2 дозволяє значно наблизити результати розрахунку несучої здатності паль до дослідних даних.

6. Рекомендації нормативних документів РСН 357-91, ВСН 16-84, ДБН В.3.1-1-2002, які регламентують роботу вдавлених паль, пропозиції різних дослідників, в тому числі і автора роботи, визначати їхню несучу здатність через граничне зусилля вдавлювання, в цілому, забезпечують задовільну збіжність прогнозу і даних випробувань як коротких, так і довгих висячих паль.

7. Прогноз сідань одиночних висячих вдавлених призматичних паль у піщаних чи близьких до них ґрунтах рекомендується робити за нормативною методикою з використанням запропонованих автором коефіцієнтів КS і гC,S.

8. Додаткове, неураховане діючими нормативними документами, осідання існуючої навантаженої висячої палі, яке з'являється при вдавлюванні й навантаженні сусідньої такої ж палі, може бути визначене по відомому зміряному чи визначеному розрахунком основному осіданню цієї палі шляхом урахування відстані між ними, характеристик піщаного ґрунту і величини прикладеного до неї навантаження за допомогою коефіцієнтів КS,12 і Кгк. від рівня навантаження на неї, відстані між палями, характеристик ґрунту.

Література

1. Новский А.В., Жуйван И.А., Кущак С.И., Генералов А.И., Кушнирева А.А. Погружение свай вдавливанием: Сб. нучн. тр. “Строительные конструкции, строительные материалы, инженерные системы, экологические проблемы” - Одесса: Город мастеров, 1998. -С.40-41.

2. Карпюк И.А. Некоторые результаты экспериментальных исследований работы моделей вдавленных и забивных призматических свай в песчаных грунтах// Вісник ОДАБА №3. - Одеса: ВМК “Місто майстрів”, 2001. - С.44-50.

3.Карпюк И.А. Взаимное влияние моделей призматических свай в процессе поочередного их вдавливания и нагружения// Вісник ОДАБА №4. - Одеса:ВМК “Місто майстрів”, 2001.-С.283-288.

4. Карпюк И.А, Новский А.В., Карпюк В.М., Колесников Л.И. Деформации грунта вокруг коротких призматических свай в песчаных грунтах// Вісник ОДАБА №5. - Одеса: ВМК “Місто майстрів”, 2001. - С.55-61.

5. Карпюк И.А., Карпюк В.М., Колесников Л.И., Кубийович Н.И., Карпюк Ф.Р. Результаты экспериментальных исследований напряженно -деформированного состояния песчаных грунтов в процессе их взаимодействия с моделями висячих призматических свай // Вісник ОДАБА №8. - Одеса: ОДАБА, 2002. - С.72-78.

Размещено на Allbest.ru