Россия
с 01.09.2013 по 01.09.2018
Кубанский государственный аграрный университет (кафедра "Основания и фундаменты")
Россия
ГРНТИ 67.17 Машины, механизмы, оборуд. и инстр., применяемые в строит. и промышл. стройматериалов
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 38 Строительство
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 5413 Основания и фундаменты. Механика грунтов
В статье рассматриваются вопросы оценки усилий вдавливания железобетонных свай заводского изготовления в глинистые грунты, которые погружались сваевдавливающей установкой в городских условиях. Сваевдавливающая установка (СВУ) разработана в 2003 г. (авторы С.В.Ющубе, А.И.Полищук, Ю.Б. Андриенко, С.С.Нуйкин) и предназначена для устройства готовых цельных и составных свай различного поперечного сечения (квадратных, круглых, призматических, кольцевых и др.) длиной от 5 до 16 м. В период эксплуатации установки были подготовлены ее различные модификации (СВУ-1, СВУ-2, СВУ-3) с помощью которых погружено более 40000 свай заводского изготовления в Томске, Кемерово, Омске и других городах России. В 2011-2012 гг. специалистами ООО "ФундаментСпецСтрой" (г. Томск) совместно со специалистами Кубанского государственного аграрного университета (г. Краснодар) был разработан прибор «Измеритель И-1», который позволяет получать данные по усилиям вдавливания свай на заданных отметках. В статье описывается устройство прибора и принцип его действия. Работа прибора основана на преобразовании показателей давления гидравлической системы сваевдавливающей установки во время вдавливания сваи в электрический сигнал, преобразуемый в цифровые значения. Приведены основные результаты усилий вдавливания свай и построены графические зависимости. Выполнены анализ, обобщение результатов экспериментальных исследований и показаны направления дальнейших исследований
усилие вдавливания, железобетонные сваи, глинистые грунты, вдавливание свай, сравнение результатов
В качестве оборудования для проведения экспериментальных исследований усилия вдавливания Nвд железобетонных свай заводского изготовления использовалась сваевдавливающая установка (СВУ), которая предназначена для погружения свай на строительных площадках городской застройки. Установка была разработана в 2003 г в г. Томске специалистами С.В.Ющубе, А.И.Полищуком, А.Б.Андриенко, С.С.Нуйкиным; ее конструкция запатентована в России [1]. Она позволяет погружать цельные железобетонные сваи заводского изготовления различного поперечного сечения (квадратные, круглые, призматические, кольцевые и др.) [2] в глинистые грунты (цельные длиной до 12 м; составные – до 16 м). В период эксплуатации установки (с 2003 г.) были подготовлены различные ее модификации (СВУ-1, СВУ-2, СВУ-3) с помощью которых устроено более 40 000 свай заводского изготовления в грунтовых условиях Томска, Кемерово, Омска и других городах России (рис. 1) [3, 4].
Установка состоит (рис. 2) из портала (базы) (1) на рельсовом ходу; поворотной платформы (2) для навесного оборудования; грузовой платформы (3) для размещения грузового балласта (5) массой 40-45 тс; основной направляющей мачты (4), предназначенной для монтажа сваи (8) в рабочее (вертикальное) положение и дальнейшего ее погружения в грунт до проектной отметки. Грузовой балласт (5) размещается на грузовой платформе (3) и выполняет роль противовеса для создания усилия вдавливания сваи.
Свая погружается в грунт с помощью системы полиспастов (6), расположенных в пределах основной мачты (4) и рабочего элемента установки (7). С помощью системы полиспастов усилие вдавливания передается от грузового балласта (5) на погружаемую сваю (8). В неоднородных глинистых грунтах при вдавливании свай дополнительно используют специальные конструктивные решения, с помощью которых создаются динамические или вибрационные воздействия [5, 6]. Для перемещения установки по поверхности дна котлована используется сборно-разборный рельсовый путь (9). Максимальное усилие вдавливания Nмакс, передаваемое на сваю, составляет 650…700 кН (65…70 тс) [7].
Для проведения экспериментальных исследований (2011-2012 гг.) специалистами ООО «ФундаментСпецСтрой» (г. Томск) совместно со специалистами Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ, г. Краснодар) был разработан прибор «Измеритель И-1» (рис. 3), который позволяет получать цифровые данные по значениям усилия вдавливания свай в момент их погружения [8].
Принцип действия прибора «Измеритель И-1» основан на преобразовании показаний давления гидравлической системы установки (СВУ) во время вдавливания сваи в электрический сигнал, преобразуемый в цифровые значения. Прибор «Измеритель И-1» фиксирует данные усилия вдавливания Nвд с периодичностью 1,0 сек до момента окончания погружения сваи (отказа погружаемой сваи [9]). После проведения вдавливания сваи данные измерений сохраняются в карте памяти формата micro SD, установленной в модуль сбора данных прибора. С помощью кабеля USB записанные данные в формате «excel» сохраняются на внешнее устройство, например, портативный компьютер. Однако, после каждого эксперимента полученные данные измерений в абсолютных единицах необходимо пересчитывать с помощью переходных коэффициентов, определенных ранее тарированием прибора, перевести в единицы измерения усилия вдавливания сваи (тс) [10]. Данные представляются в табличном виде и в виде графической зависимости. Экспериментальные исследования проводились на строительных площадках в г. Томске в период с ноября 2011 г. по май 2015 г. Всего было проведено около 180 экспериментов (испытаний) по определению усилия вдавливания Nвд железобетонных свай различной длины (от 8,0 до 14,0 м), составлены таблицы полученных данных, построены графические зависимости. Прибор «Измеритель И-1» состоит (рис. 3) из блока питания (1), двухканального регистратора (2), автоматического преобразователя интерфейсов (3), модуля сбора данных (4), преобразователя давления (5), автоматического выключателя (6) и реле подсоединения контактов (7). Блок питания (1) предназначен для питания стабильным напряжением прибора. Двухканальный регистратор (2) предназначен для измерения параметров вдавливания свай, значения которых преобразуются в унифицированный сигнал постоянного тока или напряжения. Информация о любом из измеряемых параметров усилия вдавливания отображается в цифровом виде на встроенном четырехразрядном цифровом индикаторе. Автоматический преобразователь интерфейсов (3) предназначен для взаимного электрического преобразования сигналов интерфейсов (данных стандарта USB) с обеспечением прибора «Измеритель И-1». Преобразователь интерфейсов (3) переводит полученные регистратором (2) данные в цифровой сигнал и отправляет их в модуль сбора данных (4), который предназначен для сбора, хранения и передачи полученной информации. Модуль сбора данных (4) имеет возможность установки карты памяти формата microSD для записи результатов экспериментов, а также USB-порт для подключения к карте памяти внешних устройств и дальнейшей работы (просмотр, копирование) с полученными данными по усилию вдавливания свай.
Анализ грунтовых условий опытных строительных площадок [3, 11, 12] позволил выделить из них три основных варианта. Вариант 1 - грунтовые условия сложены преимущественно однородными грунтами. Для варианта 1 характерины инженерно-геологические условия опытной строительной площадки по ул. А.Иванова, 2 в г. Томске. Они представлены с поверхности насыпными грунтами мощностью от 2,0 до 2,2 м. Далее расположен слой суглинка тяжелого тугопластичной консистенции мощностью 1,8-2,0 м, залегающего до отметки 3,8-4,0 м от уровня дна котлована. Затем расположен слой суглинка легкого, текучепластичной консистенции мощностью от 9,4 до 9,8 м. Для слоя суглинка легкого модуль деформации Е изменяется от 6,0 до 17,0 МПа. Угол внутреннего трения φ – от 14 до 220, а удельное сцепление c – от 10 до 26 кПа. Вариант 2 - грунтовые условия сложены неоднородными грунтами. Они представлены различными инженерно-геологическими элементами с наличием прослоек из более плотного грунта. Для варианта 2 характерны грунтовые условия на опытной строительной площадке по ул. Косарева, 14 в г. Томске, которые с поверхности представлены насыпными грунты мощностью от 1,2 до 2,2 м. Далее следует суглинок легкий мягкопластичной консистенции мощностью от 3,2 до 4,1 м. Ниже залегает слой супеси текучей консистенции мощностью от 3,8 до 4,2 м. В рассматриваемой грунтовой толще также встречаются прослойки песка мелкого водонасыщенного средней плотности; мощность таких прослоек изменяется от 0,8 до 1,4 м. В приведенных грунтовых условиях (вариант 2) модуль деформации грунта Е изменяется от 8,0 до 11,0 МПа в суглинках и супесях и до 22 мПа в прослойках песка. Угол внутреннего трения φ – от 18 до 310, а удельное сцепление c – от 8 до 16 кПа. Вариант 3 - характерен при устройстве свайных фундаментов методом вдавливания свай в зимнее время года. В рассматриваемом варианте 3 существенное влияние на процесс производства работ оказывает толщина промерзшего грунта с поверхности основания. Опыты по исследованию усилия вдавливания в зимнее время года (вариант 3) проводились на строительной площадке по ул. Белинского, 8 в г. Томске (с ноября 2011 по февраль 2012 г). Грунтовая толща была представлена с поверхности насыпными промерзшими грунтами мощностью от 1,2 до 2,1 м. Далее расположен слой супеси текучей консистенции мощностью от 6,7 до 8,5 м. Модуль деформации Е для супеси текучей изменяется от 12,0 до 15,0 мПа; угол внутреннего трения φ – от 15 до 180, а удельное сцепление c – от 12 до 18 кПа [13 - 15].
Непосредественно перед проведением экспериментальных исследований на рассматриваемых строительных площадках (по ул. Косарева, ул. Белинского, ул. А.Иванова в г. Томске) проводилось тарирование прибора «Измеритель И-1». Для этого, на устроенную в грунте железобетонную сваю, монтировался гидравлический домкрат, рядом устанавливалась ручная масляная насосная станция с цифровым манометром [4, 5, 7]. Далее с помощью грузового балласта установки СВУ и системы полиспастов на сваю передавалось вдавливающее усилие Nвд различной величины через систему полиспастов. Одновременно снимались показания усилия вдавливания Nвд на дисплее регистратора прибора «Измеритель И-1» и данные гидравлического давления на цифровом манометре. Полученные результаты представлены в табл.1.
Таблица 1
Результаты тарировки прибора «Измеритель И-1» для оценки
усилия вдавливания свай
Table 1
Results of calibrating “Meter I-1" for evaluation pile driving forces
|
Тип сваи |
Номера опытов |
Показания цифрового манометра на гидростанции, |
Усилие вдавливания на сваю, установленное экспериментально, тс (кН) |
Усилие вдавливания по прибору «Измеритель И-1», |
|
С120.30-10 |
1 |
50,0 (4903) |
7,3 (71,6) |
8,1 (79,5) |
|
2 |
80,0 (7845) |
12,1 (118,7) |
12,3 (120,7) |
|
|
3 |
120,0 (11768) |
17,4 (170,7) |
17,6 (172,7) |
|
|
4 |
150,0 (14710) |
21,9 (214,8) |
22,3 (218,8) |
|
|
5 |
200,0 (19613) |
29,4 (288,4) |
29,8 (292,3) |
|
|
6 |
250,0 (24516) |
36,7 (360,1) |
36,1 (354,1) |
|
|
7 |
300,0 (29419) |
44,3 (434,6) |
43,7 (428,7) |
Отклонения значений усилия вдавливания Nвд на железобетонную сваю, полученных экспериментально (по цифровому манометру, установленного на ручной масляной станции) от данных Nвд по прибору «Измеритель И-1» обобщались и анализировались. Было установлено, что это отклонение не превышает в среднем 12-14 %.
Методика проведения экспериментальных исследований оценки (определения) усилия вдавливания свай Nвд. в глинистые грунты предполагает следующие технологические операции:
- Предварительная поверка прибора «Измеритель И-1» (проверка подключения его составных частей, индикатора записи данных карты microSD и др.);
- Включение прибора «Измеритель И-1» в сеть до момента начала погружения сваи вдавливанием;
- Погружение железобетонной сваи вдавливанием, контроль за данными на дисплее прибора, снятие показаний;
- Выключение прибора «Измеритель И-1» после окончания погружения сваи (достижения ею проектной отметки, отказа);
- Копирование полученных экспериментальных данных на внешнее портативное устройство.
Таким образом, разработанная методика оценки усилия вдавливания железобетонных свай позволила получить результаты для их практического использования.
Прибор «Измеритель И-1» фиксирует усилие вдавливания свай Nвд во время их погружения в глинистый грунт [14], записывая цифровые данные на карту памяти формата micro SD, преобразуя их в формат электронного текстового документа с расширением .xls (MS excel). На основе полученных данных были построены графические зависимости усилия вдавливания свай в зависимости от глубины их погружения Nвд. = f(h) (рис. 4-6). Анализ полученных результатов позволил выделить три основных случая изменения усилия вдавливания свай Nвд в глинистые грунты:
1. Свая вдавливается в однородный глинистый грунт, где происходит постепенное увеличение усилия вдавливания Nвд (участок o-a). При этом такая закономерность наблюдается вплоть до проектной отметки погружения сваи (рис. 4). В рассматриваемом случае графическая зависимость Nвд = f(h) близка к линейной и резкие изменения усилия вдавливания Nвд практически исключены. Но при этом необходимо учитывать, что с поверхности основания и до глубины примерно 2.0-2,5 м могут встречаться техногенные включения из битого кирпича, обломков фундаментов и другого строительного мусора, которые могут искажать показания прибора «Измеритель И-1». Поэтому, в таких случаях важно дублировать показания прибора «Измеритель И-1» при вдавливании соседних свай и свай-дублеров.
2. Свая вдавливается в неоднородный глинистый грунт, имеющий в пределах глубины h прослойку более прочного (твердого) грунта. Наличие прослойки приводит к определенным закономерностям изменения усилия вдавливания Nвд свай (рис. 5). На участке о-а усилие вдавливания Nвд возрастает практически по линейной зависимости. Затем, после прохождения сваей прослойки из более прочного грунта, наблюдаеьтся значительное уменьшение значений Nвд (участок а-b) и его последующее постепенное возрастание к моменту достижения сваей проектной отметки (участки b-c и c-d), (рис. 6).
3. Работы по вдавливанию свай ведутся в зимнее время. Свая вдавливается в глинистый грунт, имеющий в пределах глубины h равной 0,5-2,0 м слой мерзлого грунта. Наличие такого слоя приводит к определенным закономерностям изменения усилия вдавливания Nвд свай (рис. 6), которое качественно совпадает со случаем 2.
По результатам проведенных исследований усовершенствована методика оценки усилия вдавливания Nвд готовых железобетонных свай заводского изготовления в глинистые грунты на различных строительных площадках. Для этого разработан прибор «Измеритель И-1», принцип действия которого основан на преобразовании показаний давления гидравлической системы сваевдавливающей установки (СВУ) в процессе погружения свай в электрический сигнал, преобразуемый в цифровые значения. Прибор прошел апробацию при устройстве свайных фундаментов зданий и используется для контроля несущей способности свай в глинистых грунтах на этапе их проектирования и строительства. Результаты вдавливания готовых железобетонных свай в глинистые грунты показали общие закономерности изменения усилий вдавливания Nвд в зависимости от глубины их погружения h. Выявлено, что при глубине погружения h готовых свай на 7-8 м усилие их вдавливания Nвд в глинистый грунт составляет в пределах Nвд = 430-520 кН (42-53 тс). Имеющийся разброс в значениях усилий вдавливания Nвд свидетельствует, что разработанная методика их определения требует дальнейшего совершенствования.
1. Патент № 2206664 РФ, 7Е 02Д 7/20. Установка для погружения свай вдавливанием / С.В.Ющубе, А.И.Полищук, Ю.Б.Андриенко, С.С.Нуйкин. - Заявлено 29.08.2001. Зарегистрировано 20.06.2003. Бюлл. № 17.
2. Полищук А.И. Анализ грунтовых условий строительства при проектировании фундаментов зданий. Научно-практическое пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2016. - 104 с.
3. Смоляницкий Л.А. Инженерно-геологические и геотехнические изыскания для строительства. М.: Изд-во АСВ, 2017. - 248 с.
4. Полищук А.И., Нуйкин С.С. Совершенствование способа устройства свай вдавливанием на площадках городской застройки. Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014, №3. С.52-59.
5. Мангушев Р.А., Осокин А.И., Усманов Р.А. Устройство и реконструкция оснований и фундаментов на слабых и структурно-неустойчивых грунтах/ Под ред. Р.А. Мангушева. Монография. - СПб.: Изд-во «Лань», 2018. - 460 с.
6. СП 50-102-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов. - М.: Госстрой России, 2004. - ХХ с.
7. Патент № 2593517 РФ, E02D7/26. Комбинированный способ погружения сваи А.И.Полищук, С.С.Нуйкин. - Заявлено 03.06.2015. Зарегистрировано 10.08.2016.
8. Мангушев Р.А., Знаменский В.В., Готман А.Л., Пономарев А.Б. Сваи и свайные фундаменты. Конструкции, проектирование и технологии. 2-е издание. - М.: Изд-во АСВ, 2018. - 320 с.
9. Пронозин Я.А., Епифанцева Л.Р., Наумкина Ю.В., Мельников Р.В. Перспективные фундаменты на сильносжимаемых грунтовых основаниях. - М.: Изд-во АСВ, 2017. - 350 с.
10. Зоценко М. Л., Коваленко В. І., Яковлєв А. В., Петраков О. О., Швець В. Б., Школа О. В., Біда СВ., Винников Ю. Л. Інженерна геологія. Механіка ґрунтів, основи і фундаменти. - Полтава: Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка (ПолтНТУ), 2003. - 560 с.
11. Мангушев Р.А., Ершов А.В., Осокин А.И. Современные свайные технологии. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 235 с.
12. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения: издание второе, дополненное и переработанное / Под общей редакцией В.А.Ильичева и Р.А.Мангушева. М.: Изд-во АСВ, 2016. - 1040 с.
13. Braja M. Das. Principles of Foundation Engineering. Sixth Edition. Publisher - Thomson India, 2006. - 480 p.
14. Braja M. Das. Shallow Foundations Bearing Capacity and Settlement. Third Edition. Publisher - CRC Press, 2017. - 408 p.
15. Невзоров А.Л. Основания и фундаменты. Пособие по расчету и конструированию: учебное пособие . - М.: Изд-во АСВ, 2018. - 154 с.
