Напружено-деформований стан системи "буроін'єкційна паля-основа"

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.23.02 - основи та фундаменти

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН СИСТЕМИ „БУРОІН'ЄКЦІЙНА ПАЛЯ - ОСНОВА“

ЛЕВЧЕНКО ВІКТОРІЯ ПЕТРІВНА

ПОЛТАВА 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Останні роки у світі набули розповсюдження набивні палі, які влаштовуються за допомогою буріння свердловин з наступним їх бетонуванням. Серед труднощів при виготовленні таких паль є забезпечення стійкості стінок свердловин на період армування і заповнення їх бетоном. Ця проблема вирішується шляхом використання обсадних труб або проведенням буріння під глинистим розчином. Обидва способи значно ускладнюють процес влаштування набивних паль і потребують додаткових витрат.

За останні 20 років альтернативою буронабивним палям стали так звані буроін'єкційні палі, які виготовляються за технологією „Солетанж“. Суть цієї технології полягає у тому, що свердловину бурять шнеком діаметром 0,3-0,6 м, який обладнаний порожнистими штангами внутрішнім діаметром 60-100 мм. При цьому виключається необхідність додаткового кріплення стінок свердловин. Їх стійкість забезпечується шнеком, лопаті якого заповнені ґрунтом. Після досягнення проектної відмітки буріння припиняється і до вибою крізь порожнисті штанги бетононасосом подається мілкозернистий бетон або цементний розчин. При підйомі шнеку створюються умови для обтиснення бетону додатковим тиском, що у свою чергу веде до ущільнення ґрунту навколо буроін'єкційної палі.

До недоліків такого методу влаштування набивних паль слід віднести відсутність вітчизняного обладнання для їх виготовлення та недосконалість нормативної бази з їх проектування. Діючі норми розглядають буроін'єкційні палі практично як буронабивні, але при цьому не враховується ефект обтиснення свіжого бетону.

В основу дисертаційної роботи було покладено удосконалення методу розрахунку буроін'єкційних паль шляхом урахування додаткового обтиснення бетонної суміші в процесі їх влаштування на базі експериментальних (лоткових і польових) та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану (НДС) системи „буроін'єкційна паля - основа“. Польові дослідження та виробничі впровадження досліджень проведено на обладнанні, яке було створене в процесі розробки теми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано на основі вітчизняних програм наукового супроводження проектних та будівельних робіт. Дослідження проводилися відповідно до етапів держбюджетної теми „Прогресивні конструкції основ і фундаментів у сучасному будівництві в Україні“, яка у свою чергу є складовою частиною комплексної програми „Матеріалоємність“ Міністерства освіти і науки,молоді та спорту України, а також міжвузівської комплексної програми „Скорочення ручної праці у будівництві“. Робота виконана у контексті цільової комплексної програми Держкомітету з питань науки і технологій України № 02.01.02/054-93, відповідно до рішень Координаційної науково-технічної ради з питань будівництва, захисту будівель, споруд, територій у складних інженерно-геологічних та сейсмічних умовах України та науково-дослідної тематики ПолтНТУ.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є оцінка напружено деформованого стану системи «буроін'єкційна паля - основа» та розробка методики розрахунку несучої здатності таких паль з урахуванням додаткового обтиснення бетону при їх виготовленні.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:

- вивчити досвід використання буроін'єкційних паль, існуючі способи проектування, а також врахувати недоліки, які можуть виникати при їх виготовленні та визначити методи контролю якості;

- в лабораторних умовах у лотку, який заповнений ґрунтом (лесовим суглинком) порушеної структури, виготовити моделі буроін'єкційних паль. При цьому промоделювати процес обтиснення свіжого бетону різними тисками. Виконати кілька серій таких досліджень при різній щільності та вологості ґрунту;

- встановити залежність несучої здатності моделей буроін'єкційних паль від обтиснення свіжого бетону, а також щільності і водонасиченості ґрунту;

-підібрати комплект обладнання для виготовлення буроін'єкційних паль типа „Солетанж“ із машин і механізмів вітчизняного виробництва, використовуючи бурові машини з примусовою подачею ланок шнеків у ґрунт;

- провести дослідні облаштування буроін'єкційних паль у різних ґрунтових умовах з визначенням кількості бетону, якій укладено у свердловину, та значень його обтиснення. За цими даними на підставі статистичної обробки результатів встановити залежності між об'ємом палі і тиском обтиснення для даних ґрунтових умов дослідних майданчиків;

-для системи „буроін'єкційна паля - основа“ розробити принципи побудови розрахункових схем, складання вихідних даних для моделювання НДС, провести розрахункові дослідження, використовуючи сучасні програмні комплекси;

- за даними статичних випробовувань ґрунтів буроін'єкційними палями і численних експериментів встановити несучу здатність дослідних паль, що дозволить розробити методику їх розрахунку за першим граничним станом по ґрунту.

Об'єкт досліджень - буроін'єкційні палі, які виготовляються способом „Солетанж“.

Предмет досліджень - напружено-деформований стан системи „буроін'єкційна паля - основа“.

Методи досліджень - експериментальні: визначення характеристик ґрунтів, у яких виготовлено буроін'єкційні палі; дослідження несучої здатності паль у лабораторних і польових умовах; теоретичні: чисельне моделювання напружено - деформованого стану грунту з використанням методу скінченних елементів (МСЕ), статистичний аналіз результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:

- уперше в умовах лоткових випробовувань і натурних спостережень втановлено залежність між обтисненням бетону та несучою здатністю буроін'єкційних паль; при цьому експериментально доведено, що несуча здатність паль збільшується зі збільшенням величини тиску обтиснення бетону палі при її влаштуванні;

- створено модель системи „буроін'єкційна паля - основа“, яка враховує ефект обтиснення бетону при влаштування буроін'єкційних паль; за методом скінчених елементів проведено оцінювання НДС системи й вперше за експериментальними даними отримано значення несучої здатності та осідань таких паль;

- розроблено методику проектування буроінєкційних паль з урахуванням ефекту обтиснення бетону при їх встановленні.

Практичне значення роботи полягає у вивченні особливостей НДС грунтів основи при обтисненні їх бетоном в процесі влаштування буроін'єкційних паль; створено модель роботи системи «ґрунт - буроін'єкційна паля», яку використано у практиці проектування бурон'єкційних паль; перевірена можливість і доцільність застосування буроін'єкційних паль в інженерно-геологічних умовах Полтавської та Сумської областей; доведено кращу ефективність застосування буроін'єкційних паль порівняно з буронабивними та збірними призматичними палями, які занурюють методом вдавлювання.

Упровадження роботи. Результати досліджень використані при проектуванні та будівництві будівель і споруд різного призначення у містах Полтаві, Кременчуку, Сумах за участю таких організацій: НДІБК, ТОВ «ЕКФА»; ДПІ «Міськбудпроект»; НАК «Надра України» ДК інститут «Геолпроект»; ТОВ «Фундаментбуд-3»; ЗАТ «Полтавтрансбуд» та ін.

Особистий внесок автора полягає у:

- виконанні лоткових випробувань моделей буроін'єкційних паль [2, 3];

- виконанні дослідного виготовлення буроін'єкційних паль, а також їх статичних випробовувань [4, 5];

- складанні розрахункових схем при моделюванні НДС для системи „буроін'єкційна паля - основа“ [6, 7];

- впровадженні буроін'єкційних паль на будівництві споруд різного призначення в Полтавській і Сумській областях [1].

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на засіданнях кафедри Видобування нафти газу та геотіхніки Полтавського національного технічного університеті імені Юрія Кондратюка, 6-й і 7-й Всеукраїнських науково-технічних конференціях „Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування” м. Полтава (2008 р.) і м. Одеса (2011 р р.); міжнародних науково-практичних конференціях «Інноваційні технології життєвого циклу об'єктів житлово, цивільного, промислового та транспортного призначення» в АР Крим у 2010-2011 рр.; міжнародній геотехнічній конференції „Будівельна наука“ (Мінськ, Білорусія, 2008 рік.)

Публікації. За темою дисертації видані 10 наукових поблікацій, з них 6 статей у фахових виданнях ВАК України, один патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (170 найменувань, з яких 16 іноземних). Дисертація загальним обсягом 185 сторінок з них основного тексту 155с., включає 67 рисунків та 32 таблиці, 6 додатків на 105с. Список літератури налічує 170 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

буроін'єкційний паля деформований бетон

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та її зв'язок з державними науковими програмами. Сформульовано мету й завдання, об'єкт і предмет досліджень, наукову новизну та практичне значення дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз застосування буроін'єкційних паль у будівництві. Описано різні способи виготовлення таких паль, негативні процеси, що виникають при використанні буроін'єкційних паль, а також методи контролю за якістю виготовлення даного типу паль.

Дослідження особливостей проектування та будівництва набивних паль викладено у працях Б.В. Бахолдіна І.П. Бойка, О.М. Богомолова, Ю.Л. Винникова, А.Л. Готмана, Б.І. Далматова, В.Я. Єрьоміна, М.Л. Зоценка, Ю.І. Калюха, П.О. Коновалова, М.В. Корнієнка, В.І. Крутова, І.Я. Лучковського, М.С. Метелюка, О.О. Петракова, Є.В. Платонова, В.Ф. Разорьонова, В.Л. Седіна, В.І. Снісаренка, Ю.Г. Трофіменкова, Ю.Ф. Тугаєнко, Г.І. Черного, Д.М. Шапіро, В.Б. Швеця, О.В. Школи, В.С. Шокарева, П.І. Яковлєва, Boћo Soldo, Brandl H., Reichman I.M. та ін.

У сучасному будівництві отримало широке розповсюдження застовування буроін'єкційних паль, що встановлюються за технологією „Солетанж“, яка передбачає буріння свердловини шнеком з порожнистою штангою в нестійких ґрунтах без кріплення. Бетонування свердловини відбувається при зворотному ході шнеку крізь порожнисті штанги. При цьому створюються умови обтиснення бетону на будь-якому етапі влаштування палі тиском бетононасосу 0,2-0,7 МПа. Переваги такого методу облаштування паль полягають у відсутності динамічних навантажень на основу і навколишнє середовище. При цьому відпадає необхідність в обсадних трубах чи глинистому розчині, обтиснення свіжого бетону до його застигання дозволяє ущільнити основу палі і тим збільшити її несучу здатність.

Аналіз недоліків при застосуванні набивних паль таких як: виходи пливунів у свердловину в процесі проходження її шнеком, брак при бетонуванні стовбура свердловини, помилки при проектуванні тощо свідчить про необхідність розроблення та впровадження у практику будівництва набивних паль комплексної системи контролю за їх якістю.

Нормативні документи, які діють на території України недостатньо враховують фактор обтиснення свіжого бетону при встановленні паль типу «Солетанж». Це підтверджується в процесі зіставлення даних про несучу здатність паль як за підсумками розрахунків, так і за результатами їх статичних випробовувань.

Достовірно врахувати ефект обтиснення свіжого бетону при влаштуванні буроін'єкційних паль можливо лише на підставі комплексних досліджень цього ефекту в лабораторних і польових умовах.

Другий розділ присвячений висвітленню результатів лоткових досліджень взаємодії моделей буроін'єкційних паль з водонасиченим лесовим суглинком, зокрема опису технології виготовлення буроін'єкційних паль, визначенню впливу величини обтиснення рідкого бетону на величину несучої здатності та осідання моделей паль.

Для експериментальних досліджень використано суглинок лесовий, легкий пилуватий з вологістю на межі текучості W_L = 0,25 та на межі пластичності W_P = 0,16. Коефіцієнт водонасичення прийнятий для дослідів S_r= 0,85.

На різних етапах досліджень ґрунт укладався в лоток зі щільністю сухого ґрунту с_d = 1,35; 1,40; 1,45 г/см³ при вологості W = 0,28-0,30. При таких умовах коефіцієнт пористості грунту коливався у межах е = 0,985-0,868. Контроль за якістю укладеного грунту виконувався шляхом відбирання зразків у кільця об'ємом V =140 см³ і бюкси.

Моделі буроін'єкційних паль у масштабі 1:20 виготовлялися через 24 години після завершення процесу підготовки ґрунтової основи. Технологічна схема виконання моделей буроін'єкційних паль у лотку наведена на рис. 1.



Процес виготовлення моделей буроін'єкційних паль починався з буріння свердловини ручним буром діаметром 24 мм на глибину 150 мм (а). Після вилучення бура зі свердловин у верхній її частині влаштовували пристрій герметизації гирла (б). Приготований цементний розчин завантажували у циліндр з поршнем і за його допомогою наповнювали свердловину розчином (в). На поршень циліндра встановлювали вантаж обтиснення розчину і витримували його встановленим терміном (д). Готові палі витримували у ґрунті лотка 28 діб (е) після чого приступали до їх статичних випробовувань. Для цього на станині лотка були змонтовані важільна система для навантаження моделей вертикальним навантаженням і реперна система для кріплення прогиноміру

Завантаження моделі проводилось ступенями по 40 Н. Спочатку знімали нульовий відлік, потім прикладали навантаження. Кожну ступінь навантаження витримували 1 хвилину, за допомогою прогиноміру фіксували осідання і прикладали наступну ступінь навантаження. Випробовування припиняли при досягненні ґрунтом третьої фази деформування - руйнування, що визначалося у наростанні деформації при постійному навантаженні. Несучу здатність моделі буроін'єкційної палі F_d приймали як пропорційності у межах залежності «осідання - навантаження» S = f(Р). Ці дані занесені у табл. 1.

Таблиця 1. Результати досліджень моделей паль у лотку

№№ дослідних паль	Тиск обтиснення у, МПа	Осідання поршня, ДS, см	Додатковий об'єм, ДV, cм3	Повний об'єм моделі палі, V, cм3	Коефіцієнт збільшення об'єму палі kv	Несуча здатність палі, Fd,Н
1	0	0	0	75,0	1,00	80
2	0,8	3,3	16,5	91,5	1,22	150
3	1,6	4,05	20,25	95,25	1,27	200
4	2,4	4,42	22,1	97,1	1,295	260
5	3,2	4,72	23,6	98,6	1,315	310
8	0	0	0	75,0	1,00	120
9	0,8	3,36	16,8	91,8	1,22	175
10	1,6	3,68	18,4	93,4	1,25	280
11	2,4	3,92	19,6	94,6	1,26	360
12	3,2	4,36	21,3	96,3	1,28	435
13	4,0	4,64	23,2	98,2	1,31	595
14	0	0	0	75,0	1,00	60
15	0,8	3,74	18,7	93,7	1,25	120
16	1,6	4,34	21,7	96,7	1,29	160
17	2,4	4,72	23,6	98,6	1,315	210
18	3,2	5,02	25,1	100,1	1,335	260
19	4,0	5,26	26,3	101,3	1,35	310

За результатами лоткових досліджень шляхом багатофакторного статистичного аналізу було встановлено такі залежності:

а) коефіцієнт збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування розчину від тиску обтиснення та щільності скелету ґрунту:

k_v = f(у, с_d) =1,17у²+0,01 с_d-0,01, (1)

де - коефіцієнт кореляції r = 0,802;

- критерій Фішера = 4,06.

б) несуча здатність палі від тиску обтиснення і щільності скелету ґрунту:

F_d = f (у, с_d) = 176у² +28,56с_d - 41,4, (2)

де - коефіцієнт кореляції r =0,886;

- критерій Фішера F_р= 54,47.

Розрахункове значення критерію Фішера порівняли з табличним значенням і отримали, що воно знаходиться в межах.

Внаслідок проведених досліджень у лотку експериментально встановлено збільшення об'єму розчину у моделях буроін'єкційних паль від величини тиску обтиснення рідкого розчину протягом 30 хв. Доведено, що дві третини додаткового об'єму розчину надходить до свердловини при невеликому початковому тиску у = 0,08 МПа. На цьому етапі заповнюються тріщини і каверни, які утворилися при бурінні, цементне молоко насичує ґрунт на контакті «ґрунт - розчин». При подальшому збільшенні тиску відбувається процес ущільнення ґрунту.

Шляхом статистичної обробки результатів досліджень несучої здатності моделей паль встановлено залежність між нею, тиском обтиснення розчину та величиною скелету водонасиченого лесового ґрунту.



У третьому розділі викладено результати польових досліджень основ і фундаментів будівель, які зведені на буроін'єкційних палях. Комплект обладнання для виготовлення буроін'єкційних паль за принципом „Солетанж“ наведений на рис. 2.

У якості бурової машини використано станок БМ-811, призначений для буріння свердловин у ґрунтах, які відносяться до IV категорії за СНиП 1V-2-82.

Машина складається з базового шасі та змонтованого на ньому навісного обладнання. На шасі кріпиться поворотна платформа зі щоглою, на якій закріплений буровий двигун. Шнек і двигун пов'язані між собою вертлюгом, через який у прохідний шнек під тиском подається бетон. Напірний шланг з'єднує бетононасос з вертлюгом.

Шнеки діаметром 360, 400, 450 мм з кроком лопатей у 200 мм,обладнані долотом штанги шнеків довжиною 8 м мають повздовжній отвір діаметром не менш ніж 100 мм.

У комплекті обладнання для подавання бетону використано пнемо-нагнітач СО-241/2, який подає бетон до свердловини з тиском у = 0,7 МПа.

Дослідні виготовлення буроін'єкційних паль у кількості 2692 проведені на шістьох будівельних майданчиках на території м. Полтави у 2007-2009 роках. Чотири майданчики були розташовані у межах лесового плато і складені лесовими ґрунтами. Два з них розташовані на схилах, що характеризуються делювіальними відкладами. Дослідження полягали у фіксації усіх параметрів виготовлення паль, а саме: розмірів бурової свердловини, кількості бетону, укладеного до свердловини, початкового тиску обтиснення бетону.

Приклад заповнення журналу дослідного влаштування буроін'єкційних паль наведений в табл. 2.

Таблиця 2. Журнал дослідного влаштування буроін'єкційних паль

Тип бурового станка	БМ-811
Тип і діаметр бурового снаряду	Прохідний шнек
Діаметр палі, dp, мм	450
Об'єм свердловини, Vc, м3	1,27
Кут нахилу палі, б, град.	900
Відмітка поверхні ґрунту, м	156,3
Відмітка голови палі, м	153,4
Відмітка вістря палі, м	145,4
Довжина палі, lp, м	8,0
Метод бетонування	Ін'єкція
Марка бетону	В15
Початок робіт 5.08.2010	Закінчення робіт
№№ паль	Дата проведення робіт	Робочий тиск при обтисненні у, МПа	Діаметр свердловини, dp, м	Об'єм бетону, Vb,м3	Коефіцієнт, kv=Vb/Vр
1	2	3	4	6	7
1	5.08.2010	0,65	0,430	1,78	1,40
2	5.08.2010	0,67	0,446	1,93	1,52
3	5.08.2010	0,66	0,446	1,93	1,52
…

Виходячи з даних табл. 2, маємо значення випадкових величин, зокрема, коефіцієнт збільшення об'єму палі при ін'єктуванні, для якого виконаний статистичний розрахунок за таким алгоритмом:

- перший етап - побудова експериментального полігону даних коефіцієнту збільшення об'єму паль;

- другий етап - визначення вибіркових числових характеристик;

- третій етап - обґрунтування закону розподілу дослідних значень. Оскільки у більшості випадків - це нормальний закон,то це обумовлює і його простоту застосування із будь-якими розподілами при умові збільшення кількості випадкових величин. Як бачимо (рис. 3), нормальний розподіл досить добре описує характер експериментального полігону, мода (максимум) якого знаходиться ліворуч від центру. Це відповідає позитивній асиметрії (А_х =0.22), більш пологій, ніж нормальна, кривій про що свідчить від'ємний ексцес (Е_х = - 0.93);

- четвертий етап - перевірка відповідності експериментального розподілу нормальному, для чого використовується критерій Пiрсона.



Рис. 3 Дослідна гістограма з нормальним розподілом коефіцієнту збільшення об'єму палі при ін'єктуванні

Описані вище дослідження з виготовлення та застосування буроін'єкційних паль і статистичної обробки результатів, які проведені на шести дослідних майданчиках, наведено у табл. 3.

Таблиця 3. Результати статистичних розрахунків по дослідних майданчиках

№ № майданчиків	Кількість паль	Інтервали можливих величин	Коефіцієнт збільшення об'єму палі	Коефіцієнт варіації
1	196	1,28-1,58	1,43	0,048
2	968	1,28-1,59	1,45	0,053
3	299	1,28-1,58	1,43	0,049
4	894	1,28-1,59	1,41	0,079
5	268	1,27-1,61	1,42	0,126
6	69	1,27-1,63	1,44	0,126

Таким чином, за допомогою статистичної обробки результатів дослідного виготовлення буроін'єкційних паль на шести дослідних майданчиках встановлено об'єктивні значення величин коефіцієнту збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування. Цей показник є визначальним при оцінці несучої здатності таких паль.

На кожному дослідному майданчику проводилися польові випробовування ґрунтів палями. Результати визначення несучої здатності паль наведено у стовпчику 9 табл. 4.

Таблиця 4. Результати визначення несучої здатності буроін'єкційних паль за розрахунком і статичними випробовуваннями

№№ майдан-чиків	№№ паль	Параметри	Коефі- цієнт, kv	Несуча здатність, Fd, кН	Коефіцієнт, урахування ефекту ін'єктування, гі
		діаметр свердлови-ни, dc, м	діаметр палі, dр, м	довжина палі, lp, м
						розра- хунок, за dc	розра- хунок, за dр	випро- бовуван- ня,
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	1	0,36	0,42	7,9	1,43	196	230	400	2,38/2,03
	2	0,36	0,42	7,9	1,43	196	230	380	2,26/1,93
2	3	0,36	0,42	8,0	1,45	254	297	500	2,3/1,96
	4	0,36	0,42	8,0	1,45	254	297	485	2,23/1,91
3	5	0,36	0,42	8,0	1,43	305	357	520	1,7/1,45
	6	0,36	0,42	8,0	1,43	305	357	520	1,7/1,45
	7	0,36	0,42	8,0	1,43	305	357	516	1,69/1,44
4	8	0,36	0,42	8,0	1,41	450	526	654	1,7/1,46
	9	0,36	0,42	8,0	1,41	450	526	630	1,63/1,39
	10	0,36	0,42	8,0	1,41	450	526	641	1,66/1,42
	11	0,36	0,42	8,0	1,41	450	526	685	1,78/1,52
	12	0,36	0,42	8,0	1,41	450	526	674	1,75/1,5
	13	0,36	0,42	8,0	1,41	450	526	635	1,65/1,41
5	14	0,45	0,54	8,0	1,42	402	470	810	2,35/2,0
	15	0,45	0,54	8,0	1,42	402	470	760	2,2/2,0
6	16	0,45	0,54	8,0	1,44	384	449	780	2,37/2,02
	17	0,45	0,54	8,0	1,44	384	449	750	2,28/1,95

Значення несучої здатності буроін'єкційних паль визначено розрахунками за ДБН В.2.1-10-2009 (Зміна №1) їхня величина є меншою у два рази за результати, визначені за даними статичних випробовувань. Просте урахування збільшення діаметру палі внаслідок ін'єктування бетону в свердловину не суттєво зменшує цю різницю (табл. 4). Це дозволяє зробити висновок про додаткове ущільнення ґрунту в процесі ін'єктування, яке значно підвищує механічні характеристики ґрунтів навколо палі.

Для теоретичного обґрунтування ефекту ін'єктування бетону було проведено математичне моделювання процесу утворення буроін'єкційних паль з використанням рішень пружно-пластичної задачі нелінійної механіки ґрунтів, які реалізуються за допомогою МСЕ.

Четвертий розділ присвячено математичному моделюванню системи „буроін'єкційна паля - основа“. Для цього використано створений професорами Ю.Л. Винниковим і С.Ф. Клованичем програмний комплекс “PRIZ-Pile”, у якому реалізоване рішення вісесиметричної задачі МСЕ кроково-ітераційними методами у фізично й геометрично нелінійній постановці.

Застосування восьмивузлових ізопараметричних вісесиметричних скінчених елементів (СЕ), що мають властивості змінюватися за формою та об'ємом, дає можливість використання як прямокутної, так і криволінійної сітки СЕ. Врахування цих змін дозволяє визначати у переміщення напруження так і наведені характеристики ґрунту на кожному кроці облаштування і навантаження фундаментів. Моделювання зведення чи попередньої роботи фундаментів полягає в завданні переміщень вузлів сітки СЕ з оцінкою НДС масиву. На етапі їх роботи враховується подальше ущільнення ґрунту, перехід його в пластичний стан, проковзування бічної поверхні фундаменту за ґрунтом.

Програмний комплекс створено для моделювання процесу облаштування та навантаження фундаментів без виймання грунту.

Вихідні параметри моделі ґрунту: залежність модуля деформації від об'єму ґрунту (в компресійному кільці, СЕ) на i-ому ступені тиску (кожній технології зведення паль відповідає свій режим стиснення ґрунту);опір ґрунту зрізуванню в залежності від нормального напруження , що встановлюють за одноплощинним зрізом; питома вага ґрунту ; коефіцієнт Пуассона для кожного шару ґрунту.

Для застосування буроін'єкційних паль необхідно в основі створити свердловину, яка потім під тиском заповнюється бетоном (ін'єктування) внаслідок чого виникає ущільнення ґрунту і діаметр свердловини збільшується. Це збільшення обумовлює ущільнення ґрунту, внаслідок якого визначаються його наведені характеристики, які вже використовуються при оцінці НДС системи „буроін'єкційна паля - ущільнена основа“.

Після буріння свердловини діаметром 0,36 м і глибиною 7 м (рис. 4) розраховується область буроін'єкційної палі - циліндра діаметром 4,68 м, та висотою 15,00 м. Ін'єктування бетону модельовано завданням вимушених горизонтальних і вертикальних переміщень у 68 вузлових точках, які розташовані за контуром свердловини. Ізолінії переміщень ґрунту від ін'єктування бетону подано на рис. 5, а змодельована картина ущільнення ґрунту навколо палі - на рис.6. Наведені властивості ґрунту біля палі використані на другому етапі моделювання (навантаженні палі). Порожнину після вибурювання та ін'єктування бетону “заповнили” конструкційним матеріалом (бетоном) і ввели додаткові 35 вузлів, що імітують стовбур палі.

Таблиця 5. Вихідні дані для моделювання напружено-деформованого стану системи „буроін'єкційна паля - ущільнена основа“

Характеристики	Одиниці вимірювань	Номер ІГЕ
		3	4	5	6
Нормативні характеристики
Кут внутрішнього тертя, цI	Град	15	22	21	19
Питоме зчеплення, cI	кПа	19.1	30.9	22	18
Модуль деформації, E	МПа	4	4.5	5	7
Питома вага ґрунту, гII	кН/м3	17.9	18.3	18.3	19



Рис. 4 Вихідна схема розбивки на СЕ розрахункової схеми

Рис. 5 Ізолінії переміщень ґрунту, мм, від ін'єктування бетону за результатами моделювання у напрямках: а - горизонтальному; б - вертикальному

Залежність осідання палі №4 (табл. 4) від навантаження, де крива 1 отримана за результатами числового експерименту, а крива 2 - за даними статичних випробовувань вказує на достатньо високий збіг результатів випробовувань і моделювання (рис. 6).

Рис. 6 Графіки залежності осідання буроін'єкційної палі від навантаження за даними: 1 - моделювання; 2 - статичних випробувань

Внаслідок проведення кореляційного аналізу отримане рівняння (3):

F_p(м) = 0.96 F_p(в), кН, (3)

де F_p(м) - несуча здатність палі за даними моделювання, кН;

F_p(в) - несуча здатність палі за даними випробовувань, кН.

При цьому коефіцієнт кореляції склав r = 0,885, а варіації - v = 0,099, що відповідає загальним уявленням про неоднорідність ґрунтів (рис. 7).



Рис. 7 Графік співставлення значень несучої здатності буроін'єкційних паль за даними моделювання та статичних випробовувань

Все це свідчить про те, що при урахуванні ефекту ущільнення ґрунту в процесі виготовлення буроін'єкційної палі її несуча здатність є близькою до величини, встановленої за даними статичних випробовувань. Це дає підстави стверджувати, що достовірним розрахунковим методом визначення несучої здатності буроін'єкційних паль є метод математичного моделювання НДС системи «паля-основа» за допомогою програмного комплексу “PRIZ-Pile”.

Для проведення такого моделювання необхідно попередньо визначати коефіцієнт збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування бетону k_v від тиску обтиснення, у МПа. Для цього скористаємося результатами експериментальних досліджень цієї залежності за даними лабораторних і польових досліджень. В лабораторних умовах дослідження проводилися у лотку, де виконували обтиснення моделей паль у діапазоні тиску від 0 до 0,4 МПа. При цьому враховується значення об'єму бетону, укладеного у свердловину. За цими даними визначався коефіцієнт збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування бетону k_v. В польових умовах ін'єктування бетону при влаштуванні буроін'єкційних паль виконувалося пневмонагнітачем СО-241/2 при тиску у = 0,67 МПа.

В результаті досліджень встановлено експериментальну залежність коефіцієнту збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування бетону k_v від тиску обтиснення, у МПа для лесових і делювіальних глинистих ґрунтів Полтавського лесового плато (рис.8).

Внаслідок проведення кореляційного аналізу було отримане рівняння (4):

k_v = 0,59у - 1,06, (4)

де у - тиск обтиснення бетону, МПа; віднесений до одиничного значення напружень у_о = 1,0 МПа;

k_v - коефіцієнту збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування бетону.

При цьому коефіцієнт кореляції склав r = 0,863, а варіації - v = 0,107, що відповідає загальним уявленням про неоднорідність ґрунтів.

Рис. 8 Залежність коефіцієнту збільшення об'єму палі внаслідок ін'єктування бетону k_v від тиску обтиснення, у МПа

Отже, встановлена можливість достатньо коректного визначення параметрів ущільнення ґрунту навколо буроін'єкційної палі та побудови графіка залежності її осідання від навантаження в межах рішення вісесиметричної задачі МСЕ у фізично й геометрично нелінійній постановці.

У п'ятому розділі наведено результати дисертаційних досліджень,які внесено до проекту «Технічних умов до проектування фундаментів будівель і споруд на буроін'єкційних палях». Як довели наші дослідження,основною частиною проектування буроін'єкційних паль є визначення їх несучої здатності на дію вертикального навантаження. Встановлено, що на цю величину суттєво впливає ефект ін'єктування бетону при виготовленні буроін'єкційних паль, який практично не враховується у, діючих в Україні нормативних документах. У дисертації досліджено залежність між тиском стиснення бетону і відповідною деформацією основи. Ця деформація представлена відносною величиною - коефіцієнтом збільшення об'єму палі внаслідок стиснення бетону. За допомогою математичного моделювання, за допомогою програмного комплексу “PRIZ-Pile” визначено несучу здатність буроін'єкційної палі у системі„осідання - навантаження“.

Впровадження результатів досліджень,яке було виконано на шістьох об'єктах будівництва у м. Полтаві повністю довело практичну значущість дисертаційних положень.

В процесі впровадження буроін'єкційних паль проводилося порівняння варіантів фундаментів для кожного будівельного майданчика. Розглядалися різні варіанти фундаментів:

- на буроін'єкційних палях;

- на вдавлених призматичних палях;

- стрічкові на основі, що підсилені армуванням ґрунтоцементними жорсткими елементами, які виготовляються за бурозмішувальним методом.

Витрати матеріалів за варіантами фундаментів наведені у табл. 6.

Таблиця 6. Таблиця витрат матеріалів для виготовлення варіантів фундаментів

Варіанти фундаментів	Земляні роботи, м3	Монолітний бетон В15, м3	Збірний бетон В7,5, м3	Збірний бетон В20, м3	Арматура, т	Ґрунто- цемент, м3	Витрати умовного палива, т
Буроін'єкційні палі	730	95,9	142,5	-	8,9	191,5	59,5
Призматичні палі	730	132,7	142,5	119,7	9,96	-	65,4
Армована основа	730	186	142,5	-	22,2	163,0	61,9

Загальний економічний ефект при впровадженні буроін'єкційних паль лише на 6 дослідних об'єктах за наведеною методикою, склав 2243055 грн. про що свідчать акти впровадження.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

За результатами проведених досліджень можливо зробити такі основні висновки.

1. У сучасному будівництві отримали широке розповсюдження буроін'єкційні палі, які влаштовуються за технологією «Солетанж», що передбачає буріння свердловини шнеком з порожнистою штангою в нестійких ґрунтах без кріплення їх стінок. Бетонування свердловини іде при зворотному ході шнеку крізь порожнисті штанги. При цьому створюються умови обтиснення бетону на будь-якому етапі бетонування тиском бетононасосу 0,2-0,7 МПа. Нормативні документи не достатньо враховують фактор обтиснення свіжого бетону при влаштуванні паль. Це підтверджується в процесі співставлення даних про несучу здатність таких паль за даними розрахунків і за результатами їх статичних випробовувань.

2. Встановлено залежність збільшення об'єму розчину в моделях буроін'єкційних паль від величини тиску обтиснення рідкого розчину протягом 30 хв. Доведено, що дві третини додаткового об'єму розчину надходить до свердловини при невеликому початковому тиску у = 0,08 МПа. На цьому етапі заповнюються тріщини і каверни, які утворилися при бурінні, цементне молоко просочує ґрунт на контакті ґрунт-розчин. При подальшому збільшенню тиску проходить процес ущільнення ґрунту.

3. За результатами випробовувань водонасиченого лесового ґрунту статичним навантаженням моделей буроін'єкційних паль доведено, що значення відповідає поняттю першої критичної сили на основу. Шляхом статистичної обробки результатів досліджень несучої здатності моделей паль встановлено залежність між нею, тиском обтиснення розчину та величиною скелету ґрунту. Теж саме виконане для питомої несучої здатності моделей буроін'єкційних паль.

4. Для виготовлення буроін'єкційних паль за принципом «Солетанж» підібрано комплект обладнання з окремих машин і обладнання, які виготовляють у межах СНД. В якості бурової машини прийнято станок БМ-811. Для транспортування бетону використано пневмонагнітач СО-241/2, який подає бетон до свердловини під тиском у = 0,7 МПа. До комплекту обладнання входять також вертлюг, прохідні шнеки діаметром 360 і 450 мм, а також напірні шланги діаметром 140 мм.

5. Несуча здатність дослідних буроін'єкційних паль визначалася за розрахунком за ДБН…, розрахунком з урахуванням збільшення об'єму палі при ін'єктуванні, а також за даними статичних випробовувань ґрунтів палями. Співставлення цих значень показало, що в означених ґрунтових умовах несуча здатність паль за даними випробовувань у 1,7-2,3 рази перевищує розраховану за ДБН… Урахування збільшення об'єму палі при ін'єктуванні незначно зменшує цю різницю. Найбільша різниця зафіксована для лесових суглинків, менші значення отримано для делювіальних ґрунтів. Пояснити отриманий ефект можливо лише за рахунок ущільнення навколишнього ґрунту за рахунок ін'єктування. Цей факт враховується при математичному моделюванні напружено-деформованого стану системи «буроін'єкційна паля - основа».

6. В процесі будівництва і наступної експлуатації будівель, які влаштовані на буроін'єкційних палях ведеться спостереження за осіданнями способом прецензійного нівелювання. Дані спостережень показують, що осідання будівель в означених ґрунтових умовах за перший рік експлуатації будинків не перевищило третини граничних значень. Співставлення залежностей «осідання палі - навантаження», які були встановлені за даними нівелювання у процесі будівництва зі статичними випробовуваннями паль показали, що осідання паль у складі будівлі вдвічі більші ніж ті, що отримані в процесі статичних випробовувань ґрунтів окремими палями. При шаховому розташуванню паль у ростверку це підтверджує для буроін'єкційних паль відомий раніше «ефект куща».

7. Для оцінювання НДС основ та фундаментів будівель і споруд на зсувонебезпечних територіях обґрунтоване застосування феноменологічної моделі ґрунту, яка враховує як геометричну, так і фізичну нелінійність роботи матеріалу. У цій моделі фізико-механічні параметри ґрунтів визначаються за стандартними лабораторними методами, ґрунт вважається ізотропним та однорідним, прояви нелінійності містять пластичну деформацію при складному напруженому стані.

8. Складені і випробувані у реальному будівництві „Технічні умови до проектування фундаментів будівель і споруд на буроін'єкційних палях”. Детальним економічним порівнянням трьох варіантів фундаментів житлового будинку підтверджено ефективність їх будівництва з використанням буроін'єкційних паль. Удосконалено існуючу методику визначення витрат енергоресурсів для оцінювання енергомісткості будівництва фундаментів із використанням буроін'єкційних паль. Встановлено, що менші питомі витрати умовного палива при будівництві житлового будинку визначені для варіанту фундаментів на буроін'єкційних палях.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зоценко М. Л. До проектування і виготовлення буроін'єкційних паль / М. Л. Зоценко, В. П. Левченко, В. В. Мірошниченко // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. трудов. - Вып. №74 - Дніпропетровськ: ПГАСА, 2011. - С. 195 - 207.

2. Особливості влаштування буроін'єкційних паль у водонасичених піщаних грунтах / Л.М. Зоценко, В.П. Левченко, С.В. Біда, М.Ф. Передерій // Зб. наук. праць (галузеве машинобудування, будівництво) Полтава: ПНТУ, 2009. - 76 с.

3. Зоценко Л.М. Досвід використання буроін'єкційних паль в водонасичених лесових грунтах / Л.М. Зоценко, В.П. Левченко, В.М. Зоценко // Строительная наука и техника. -2008. Вып. № 3(18) - С. 23

4. Левченко В.П. Експериментальні дослідження впливу обтиснення бетону при влаштуванні буроін'єкційних паль / В.П. Левченко // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. трудов. - Вып. №74 - Дніпропетровськ ПГАСА, 2010. - С. 243-251.

5. Пічугін С.Ф. Статистичні дослідження ефекту ін'єктування при виготовленні буроін'єкційних паль системи «Солетанж» // С.Ф. Пічугін, В.П. Левченко // Зб. наук. праць (Галузеве машинобудування, будівництво) Полтава: ПолтНТУ, 2011 - С. 54-61.

6. Винников Ю. Л. Математичне моделювання влаштування та роботи буроін'єкційних паль / Ю. Л. Винников, В. П. Левченко, А. М. Пащенко // Будівельні конструкції: міжвід. наук. - тех. зб. - К.: НДІБК, 2011 - Вип. 75. - Кн.2. - С. 140-150.

7. Винников Ю. Л. Підсумки моделювання напружено-деформованого стану буроін'єкційної палі / Ю. Л. Винников, В. П. Левченко // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. трудов. - Вып. №75 - Дніпропетровськ: ПГАСА, 2011. - С. 78-83.

8. Пат. 34905 Україна, МПК (2006) Е02D 5/34 Спосіб улаштування армованої буронабивної палі / Заявник Зоценко В.М., Петруняк М.В., Левченко В.П., власник Полтава нац. тех. ун-т ім. Юрія Кондратюка. - № 2008 04164; заяв. 02.04.2008; опубл. 26.08.2008, Бюл. №16. - 4с.

9. Зоценко Л. М. Комбінована набивна паля / Л.М. Зоценко, В.П. Левченко // Каталог сучасних наукових розроблень. - Полтава: ПНТУ, 2009. - С. 76.

10. Зоценко Л. М. Технологія виготовлення буроін'єкційних паль / Л.М. Зоценко, В.П. Левченко // Каталог сучасних наукових розроблень. Полтава: ПНТУ, 2009. - С. 77.

Размещено на Allbest.ru

...