Новые виды свай

Аннотация

Л.Н. Панасюк, В.Ф. Акопян, А.Ф. Акопян, Хо Чантха

Статья посвящена исследованию методик определения несущей способности винтовых и набивных свай. Представлены как аналитические подходы к решению согласно нормативным документам, так и численные с применением современных ЭВМ. Даны результаты численных экспериментов, выполненных в программном комплексе «Полюс».
Ключевые слова: винтовая свая,  вдавливаемая свая, грунт, фундамент, несущая способность,  метод конечных элементов, пластические деформации, гипотеза Кулона-Мора.

05.23.17 - Строительная механика

Устройство фундаментов, обладающих повышенной несущей способностью – одна из основных задач современного фундаментостроения. Свайные фундаменты в достаточной мере отвечают поставленным задачам.  Однако строительство в условиях плотной городской застройки требует сохранности прилегающих к строящемуся сооружению уже существующих зданий. Таким образом, ограничена возможность применения забивных и вибровдавливаемых свай.
На сегодняшний день наиболее широко используются забивные, вибровдавливаемые и буровые сваи. Известным недостатком первых является их ограниченная применимость в плотной городской застройке. К недостаткам вторых так же можно отнести вибрационное воздействие и сложность монтажа. В случае же устройства третьих не происходит уплотнения грунта в околосвайной зоне. Близкими по технологии  к буровым сваям являются усиления основания в виде армирующих элементов повышенной жесткости.
Эти проблемы послужили предпосылкой для разработки винтовых, обладающих повышенной несущей способностью. В 2010 году коллективом авторов разработаны и получены патенты на полезные модели винтовых свай (рег. № 98430,         № 102631).
Предложенные ввинчиваемые сваи (монолитные и сборные) сочетают в себе лучшие качества забивных и буровых свай:

1. при устройстве не будет оказываться динамическое воздействие на близлежащие объекты;
2. в околосвайной зоне будет происходить уплотнение грунта и, как следствие, повышаться несущая способность.
3. технология возведения менее требовательна к грунтовым условиям по сравнению, когда как технологически бывает невозможно произвести монтаж вибровдавливанием.

Оценка несущей способности ввинчиваемой сваи с учетом смятия околосвайного грунта и протекающих в этой зоне реологических процессов может быть выполнена посредством натурных испытаний, которые используют стандартную методику испытания свай согласно [1] и [2]. Упрощенно расчетная модель работы свай приводит к расширению известной формулы 7.11 (п. 7.2.6) [3].

Рис. 1 Расчетные схемы в виде участка сваи конечной длины, где: а) схема ввинчиваемой ж/б сваи б) разрез ввинчиваемой ж/б сваи;
R – расчетное сопротивление под нижним концом сваи и нижней гранью резьбы, кПа
f – расчетные сопротивления на боковой поверхности ствола сваи, кПа
L – длина рассматриваемого участка, м
D –  диаметр сваи, м
a – высота резьбы, м
b – ширина основания резьбы винта, м
α – угол подъема резьбы винта, град
β – угол профиля резьбы винта, град.

Согласно [1] отношение значений расчетных сопротивлений под  нижним концом набивных и буровых свай (как и нижней гранью резьбы) и расчетных сопротивлений на боковой поверхности ствола сваи в условиях изменения  I_l=0,2 … 0,6 и глубины 3 … 20 м  изменяются в 13,54 - 52,5 раз. Принимаем  где k принимает значения от 13,5 до 52,5.
Для сравнительного анализа приняты следующие граничные условия и допущения:

1. Расчетное сопротивление под нижним концом сваи и нижней гранью резьбы R – const;
2. Расчетные сопротивления на боковой поверхности ствола сваи  f - const;
3. Диаметр сваи D – const;
4.  где ;
5. ;
6. , при α=0 свая превращается в цилиндр диаметром , при α=90^° свая превращается в цилиндр диаметром D.
7. при β =0 сечение винта - становится прямоугольным, при β =90°- винт отсутствует.
8. .

При этих допущениях несущая способность ввинчиваемой сваи при условии полного использования сопротивления под нижней гранью резьбы и отсутствия срыва будет равна:

Где:  
 ,

Уточнение работы сваи и грунтового массива можно получить путем использования современных методов строительной механики за счет модели, в которой нет априори введенной гипотезы кинематического либо статического характера. В данной работе использована пространственная расчетная модель «свая-массив грунта» в постановке осесимметричной деформации. При этом учитывался нелинейный характер работы грунта по гипотезе предельного равновесия (в первом приближении принята гипотеза Кулона-Мора). В дальнейшем планируется рассматривать так же критерий предельного состояния Мизеса-Шлейхера-Боткина.
В работе [5] были рассмотрены предельные нагрузки твердой среды, для которой объемное сжатие (растяже­ние) является упругой деформацией, изменяющейся согласно линейному закону. При сдвиге предполагалось, что материал подчиняется диаграмме Прандтля.  
Таким образом, физические зависимости представляются в виде (1):
     (1)

В соответствии с диаграммами деформирования, зависимости для модулей деформации имеют вид:
               (2)
Согласно гипотезам (1) и с учетом обобщенного метода упругих перемещений линеаризованные физические зависимости принимают вид (3):
          (3)
Решение упругопластической задачи проводим методом конечных элементов, линеаризация осуществляется шаговым методом. При использовании метода продолжения по параметру нагружения разрешающие уравнения для ансамбля конечных элементов записаны в (4).
           (4)
При использовании простейших конечных элементов, в которых поле напряжений постоянно по объему элемента (треугольники) зоны пластичности последовательно возникают в объеме каждого конечного элемента, интенсивность напряжений которого достигла предела текучести. Для конечных элементов, в объеме которых поле деформаций изменяется по некоторому априори заданному закону, интегрирование при вычислении матриц жесткости выполняется численно. Поэтому здесь зоны пластичности последовательно возникают в группе расчетных точек (узлах интегрирования).
Алгоритм определения предельной нагрузки в континуальных системах, материал которых подчиняется условию текучести Губера-Мизеса следующий: на первом этапе формируется матрица жесткости для линейно-упругой среды и решается система уравнении МКЭ при "единичном" внешнем воздействии, откуда.
По вектору узловых перемещений от "единичного" воздействия  определяются во всех расчетных точках деформации и напряжения: . Параметр предельной нагрузки для каждой расчетной точки определяется из условия равенства интенсивности напряжений предельному значению,  откуда σT: , откуда  . Здесь индекс r соответствует очередной расчетной точке области. Из множества значений параметров предельной нагрузки по всем точкам области выбирается наименьший,  где е - общее количество расчетных точек.
На втором этапе учитываются зоны пластических деформаций, полученные после первого этапа. При формировании матриц жесткости в расчетных точках, в которых наступило предельное состояние, в соответствии с диаграммой деформирования .
Затем определяется приращение перемещений, деформаций и напряжений от единичной нагрузки:
            (5)
Приращения деформаций и напряжений линейны относительно параметра нагружения β, однако приращение интенсивности напряжений и деформаций является нелинейной функцией относительно β. Поэтому в каждой точке расчетной области для определения значения приращения нагрузки решается нелинейное относительно β уравнение (6) численным методом (в программном комплексе «ПОЛЮС» использован метод половинного деления с автоматическим выбором границ). Затем из множества значений β по всем расчетным точкам выбирается минимальное.

              (6)
После определения параметра приращения нагрузки вычисляются приращения компонент и сами компоненты НДС в конце второго этапа  (7).
                    (7)
Итак, согласно критерию предельного состояния Мора - если оно достигнуто в состоянии преобладающего сжатия ( J₁ < 0 ) , то дальнейшее поведение элементар­ного объема моделировалось при GK=0.

Рассмотрим модельный пример определения предельных нагрузок на винтовую сваю.
Грунтовые условия представлены одним ИГЭ со следующими физико-механическими характеристиками:
E=10 МПа, ν =0.35, с = 5 кПа, φ = 25º, γ=16 кН/м³.
Свая – бетонная, бетон класса В20, длиной 15 м.
Спектр нагрузок на сваю – от 100 кН до 450 кН с шагом в 50 кН.
Рассмотрен ряд расчетных схем:

1. Свая винтовая – моделируется с зубьями в 2 этапа (на первом производится вдавливание сваи в грунт, а на втором – загружение сосной нагрузкой);
2. Свая буровая – с диаметром равным диаметру тела сваи (0.3 м);
3. Свая буровая – с диаметром равным диаметру тела сваи (0.4 м);
4. Свая буровая – с диаметром равным диаметру тела сваи (0.5 м);
5. Свая буровая – с диаметром равным диаметру тела сваи (0.6 м);

Полученные результаты показали значительное влияние на НДС системы процесса смятия околосвайного грунта. Задавливание проводилось поэтапно – по одной трети высоты сваи. Величина бокового перемещения составляла 5 см. Таким образом, моделировалось завинчивание сваи в лидерную скважину, диаметром 20 сантиметров.  В результате деформирование от вертикальной нагрузки проходило не только непосредственно по телу сваи, но и в некотором объеме грунта. На рисунке 2 показаны зависимости вертикальной осадки свай от вертикальной нагрузки и диаметра свай.

Рис.2 График зависимостей  вертикальной осадки свай от вертикальной нагрузки и диаметра свай, где: 1 – график изменения осадки от вертикальной нагрузки для сваи диаметром 30 см, 2 – то же для сваи диаметром 40 см, 3 – то же для сваи диаметром 50 см, 4 – то же для сваи диаметром 60 см, 5 –то же для завинчиваемой сваи диаметром тела сваи 30 см и высотой резьбы – 15 см.

Литература:

1. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. – Введ. 1987–01–01. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – 54 с.: ил.; 29 см.
2. ГОСТ 5686-94. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. – Введ. 1996–01–01. –М.: Изд-во стандартов, 1996. – 56 с.: ил.; 29 см.
3. СП 50-102-2003.Проектирование и устройство свайных фундаментов.– Введ. 2003–06–21. –М.: Изд-во стандартов, 2003. – 82 с.: ил.; 29 см.
4. ГОСТ 8732-78. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные.– Введ. 1979–01–01. – 
М.: Изд-во стандартов, 1979. – 11 с.
5. Панасюк Л.Н. Прямые методы решения нестационарных задач теории сооружений: дисс. … док. техн. наук: 05.23.17: – Рос