Несущая способность буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки с учетом технологии их изготовления

Работа выполнена на кафедре «Основания и фундаменты» в ГОУ ВПО «ПГУПС» Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Улицкий Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Кандидат технический наук, доцент

Ведущая организация: СК «Подземстройреконструкция»

Защита состоится «06» ноября 2007г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет». Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4.

Электронная почта: rector@spise.spb.ru

Тел./факс 8 (812) 316-58-72

диссертационного Совета: Бадьин Г. М.

Широкая область применения буроинъекционных свай, а также характер работы наклонных свай, предполагает совместное воздействие вертикальной и горизонтальной нагрузок. Рекомендуемый нормативными документами расчет свай на совместное воздействие вертикальной, горизонтальной нагрузки и момента достаточно сложен и трудоемок, к тому же он был разработан, в основном, для свай, применяемых в мостостроении, обладающих относительно большими диаметрами по сравнению с буроинъекционными сваями.

Многочисленные полевые испытания буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки в различных инженерно-геологических условиях показывают, что их несущая способность по грунту значительно выше рассчитанной по СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

Вопрос о влиянии технологии изготовления буроинъекционных свай на их несущую способность еще недостаточно изучен.

В рамках данной работы выполнено исследование несущей способности одиночных буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки в зависимости от технологии их изготовления без учета влияния длительной совместной работы сваи и грунта.

Целью работы является совершенствование инженерного метода расчета несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализирована работа вертикальной сваи на вертикальную и горизонтальную нагрузки, а также наклонной сваи на вертикальную нагрузку.

2. Выполнено сравнение результатов двухсот полевых испытаний буроинъекционных свай на вертикальную нагрузку с несущей способностью, рассчитанной по требованиям норм. Полученные результаты исследованы с помощью статистической обработки теоретических и фактических значений с учетом технологии изготовления свай.

3. Проведены аналитические расчеты вертикальной сваи на горизонтальную нагрузку различными способами. Проанализированы достоинства и недостатки различных методов расчетов. Выполнено сравнение полученных результатов с численными расчетами и полевыми испытаниями свай.

4. Исследована работа наклонной сваи на вертикальную сжимающую нагрузку.

5. На основе аналитического решения Тимошенко С. П. разработан инженерный метод расчета буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан инженерный метод расчета вертикальных буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку, а также наклонных свай на вертикальную нагрузку.

2. Получены поправочные коэффициенты для более точного определения несущей способности буроинъекционных свай по грунту на вертикальную сжимающую нагрузку с учетом технологии изготовления сваи.

3. Произведена оценка влияния ряда технологий изготовления буроинъекционных свай на их несущую способность.

1. Инженерный метод расчета вертикальных буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку и наклонных свай на вертикальную нагрузку.

2. Результаты аналитического исследования влияния угла наклона сваи, жесткостных параметров сваи и деформативных характеристик грунта на напряженно-деформированное состояние системы: «буроинъекционная свая-грунт».

3. Поправочные коэффициенты для определения несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную сжимающую нагрузку с учетом технологии их изготовления.

4. Результаты аналитического исследования различных методов расчета свай на горизонтальную нагрузку и их сравнение с численным моделированием и полевыми испытаниями свай.

5. Результаты анализа полевого испытания наклонной сваи на вертикальную нагрузку.

6. Примеры внедрения инженерного метода расчета наклонных буроинъекционных свай на объектах реконструкции в Санкт-Петербурге.

Практическая ценность работы. Полученные поправочные коэффициенты для определения несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную нагрузку позволят значительно снизить затраты на производство работ по устройству свайных фундаментов на проектной стадии строительства.

Реализация результатов исследований. Результаты, полученные в диссертации, были использованы на практике для оценки напряженно-деформированного состояния системы: «буроинъекционная свая-грунт» на следующих объектах в Санкт-Петербурге:

1. Реконструкция бывшего кинотеатра «Ленинград» на ул. Потемкинская д. 4;

2. Реконструкция здания расположенного на Литейном пр. д. 26.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады на научно-технических конференциях и семинарах ПГУПС, СПбГАСУ и ВНИИГ им. Веденеева в 2004-2007 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены и опубликованы в виде статей в научно-технических журналах: «Известия ПГУПС», «Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ» и «Известия ОрелГТУ» (входит в перечень научных изданий рекомендованных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 105 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 17 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и задачи исследования, введены граничные условия, в рамках которых был исследован данный вопрос.

В первой главе выполнен анализ современного состояния исследуемой темы. Кратко описаны особенности инженерно-геологические условий Санкт-Петербурга. Приведена последовательность некоторых технологий изготовления буроинъекционных свай, отражены их достоинства и недостатки. Проанализированы существующие методы расчета свай на вертикальную и горизонтальную нагрузки.

Из отечественных ученых занимавшихся исследованием несущей способности свай, можно отметить: Б. И. Далматова, А. А Лугу, В. А. Ильичева, Е. А. Сорочана, В. М. Мамонова, К. С. Завриева, Э. В. Костерина, Ю. В. Россихина, Н. Н. Морарескула, А. А. Бартоломея, В. Н. Голубкова, Н. М Герсеванова, Н. К. Снитко, Г. С. Шпиро, Х. А. Джантимирова, В. М. Улицкого, В. Н. Парамонова, А. И. Егорова, И. М. Клейнера, Ф. К. Лапшина, С. В. Бровина, Н. И. Орленко, Б. В. Бахолдина, В. Г. Березанцева, С. Н. Сотникова, А. Б. Фадеева, А. А. Мустафаева, Р. А. Мангушева, Ю. А. Багдасарова, В. П. Петрухина, В. Г. Федоровского, Ю. Г. Трофименкова, Г. Ф. Новожилова, Н. С. Несмелова, А. И. Осокина, С. В. Татаринова, К. Г. Шашкина, А. В. Есипова, М. А. Прыгунова, К. Г. Голубева, А. Б. Пономарева и др.

Из зарубежных ученых, занимавшихся исследованием работы свай в грунтах, можно назвать: Терцаги, Глика, Стивенса, Гранхольма, Куммингса, Брандля, Каценбаха, Бергфельта, Френсиса, Харро, Франка, Шлоссера, Форэя, Шарора, Ходли, Гольдера, Ханна, Ринкерта, Риза, Ван Импе и др.

Для оценки инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга был сделан их краткий анализ и выявлены характерные особенности на основе работ ученых Л. Г. Заварзина, В. М. Фурсы и др.

В работе были изучены следующие отечественные технологии изготовления буроинъекционных свай: с помощью проходного шнека, под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором. Кроме того, была исследована зарубежная технология изготовления микросвай Titan.

Согласно СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» буроинъекционные сваи являются разновидностью буровых свай. Однако конструктивные особенности и технологии изготовления буроинъекционных свай существенно отличаются от буровых свай. Отличительными признаками буроинъекционных свай служат:

- малый диаметр 0,12……0,25 м (максимальный диаметр 0,35 м);

- большая гибкость (Ld = 80-200);

- применяемый материал (цементно-песчаная или мелкозернистая бетонная смесь);

- процесс опрессовки цементно-песчаной смеси после заполнения скважины под давлением 0,2……0,6 МПа;

- буроинъекционные сваи могут выполняться с углами наклона 5…..25º.

Конструктивные особенности и технология изготовления буроинъекционных свай существенно влияют на их работу в грунте и, соответственно, на их несущую способность. В частности, из-за малого диаметра несущая способность висячей сваи обеспечивается, в основном, за счет трения по боковой поверхности. Большая гибкость этих свай при наличии слабых грунтов может вызвать деформации ее ствола или даже потерю устойчивости. Прочностные и деформативные характеристики цементно-песчаной смеси очень сильно зависят от качества и условий изготовления и значительно отличаются от характеристик бетонной смеси. В процессе опрессовки цементно-песчаной смеси происходит адгезия ствола сваи с грунтовым массивом. При последующей передаче на сваю вертикальной нагрузки силы трения, действующие по ее боковой поверхности, возрастают в несколько раз. С увеличением угла наклона сваи возрастают внутренние усилия, из-за которых несущая способность сваи по материалу может оказаться значительно ниже, чем по грунту.

Несмотря на все эти отличия, согласно требованиям нормативных документов, расчетная несущая способность по грунту висячей буроинъекционной сваи на вертикальную нагрузку определяется, как и для буровой сваи (сумма расчетных сопротивлений, действующих по боковой поверхности, и расчетного сопротивления под острием сваи).

Расчетная несущая способность сваи на горизонтальную нагрузку может быть определена на основе трех моделей грунта: модели упругого основания Фуссо-Винклера, модели упругого полупространства Жемочкина и упругопластической модели Мора-Кулона.

Несущая способность буроинъекционных свай в большей степени, чем других видов свай, зависит от технологии и качества их изготовления, характера работы и условий эксплуатации. В существующих нормативных документах недостаточно указаний и рекомендаций по расчету гибких и длинных свай, изготовленных в слабых грунтах.

Во второй главе выполнен теоретический анализ работы вертикальной сваи на вертикальную и горизонтальную нагрузки. На основе аналитического решения Тимошенко С. П. разработан инженерный метод расчета буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку. Проведено исследование влияния угла наклона сваи, жесткостных параметров сваи и деформативных характеристик грунта на напряженно-деформированное состояние системы: «буроинъекционная свая-грунт».

В процессе бурения скважины в грунте происходит разрушение структурных связей грунта. После подачи бетонной смеси происходит уплотнение грунта, окружающего стенки скважины. Последующая опрессовка приводит к вытеснению грунта бетонной смесью, в результате у ствола сваи образуются местные уширения. Наибольший эффект опрессовки достигается в пределах верхней части сваи. Кроме того, в процессе опрессовки происходит адгезия частиц бетонной смеси с грунтом и образуется своего рода грунтобетонный массив. Эти особенности не учитываются нормативными документами, поэтому несущая способность свай, определенная по результатам полевых испытаний, значительно превышает рассчитанную по таблицам СНиП. При полевых испытаниях идентичных буроинъекционных свай в одинаковых инженерно-геологических условиях, на вертикальную сжимающую нагрузку, кривые зависимости осадки сваи от нагрузки имеют значительные расхождения. Это объясняется не только естественным разбросом прочностных и деформативных характеристик грунтов, но также и значительным отличием геометрических параметров изготавливаемых свай.

Введем понятие приведенного диаметра сваи, который можно определить исходя из объема бетонной смеси, поданной в скважину. Тогда несущую способность по грунту висячей буроинъекционной сваи на вертикальную нагрузку можно определить по формуле:

, (1)

где - коэффициент условий работы сваи, принимаемый по СНиП 2.02.03-85;

Для определения несущей способности буроинъекционной сваи на горизонтальную нагрузку сначала необходимо установить жесткостные параметры сваи, а затем внутренние усилия и перемещения, образующиеся от приложенной нагрузки. На основе аналитического решения Тимошенко С. П. предлагается инженерный метод расчета буроинъекционных свай на горизонтальную нагрузку.

При свободной от закрепления или закрепленной от угла поворота голове сваи поперечное усилие будет равно горизонтальной нагрузке:

. (2)

Максимальный изгибающий момент от горизонтальной нагрузки в голове сваи, свободной от закрепления, определится по формуле:

где , м^-1, - приведенная жесткость системы: «буроинъекционная свая-грунт», определяемая по формуле:

где - начальный модуль упругости сваи, кПа;

где - диаметр сваи, м;

Максимальный изгибающий момент от горизонтальной нагрузки при закрепленной голове сваи от угла поворота:

Горизонтальное перемещение свободной от закрепления головы сваи:

где - гиперболо-тригонометрическая функция, зависящая от приведенной жесткости системы «свая-грунт» .

Горизонтальное перемещение головы сваи, закрепленной от угла поворота:

. (9)

Внутренние усилия и перемещения сваи будут зависеть от жесткости сваи и деформативных характеристик грунта. Жесткость сваи определяется ее диаметром, классом бетона и площадью арматуры. На рис. 1 приведены графики зависимости жесткости сваи от класса мелкозернистого бетона и площади арматуры при диаметрах сваи 0,13……0,35 м. Все кривые при различных классах мелкозернистого бетона изменяются незначительно. Однако все кривые выражены гиперболической зависимостью, это объясняется тем, что существенное влияние на жесткость сваи оказывает ее диаметр. Кривые зависимости жесткости от площади арматуры существенно изменяются при различных площадях арматуры. При армировании сваи пространственными каркасами они носят линейный характер, а при армировании стальными трубами гиперболическую зависимость.

Для буроинъекционных свай диаметром 0,13…..0,35 м при классе мелкозернистого бетона В15….В40 с модулем деформации грунтов 3…..15 МПа, приведенная жесткость системы: «буроинъекционная свая-грунт» будет находиться в интервале 0,2…1,0 м^-1. На рис. 2 приведены графики зависимости изгибающего момента в голове сваи от горизонтальной нагрузки при различных граничных условиях закрепления головы сваи и значениях приведенной жесткости 0,2…1,0 м^-1. Как видно из графиков с увеличением приведенной жесткости изгибающий момент в свае уменьшается. При этом, чем меньше приведенная жесткость, тем больше скачок во внутренних усилиях сваи.

Для определения внутренних усилий в наклонной свае при воздействии вертикальной нагрузки можно применить правило суперпозиции и разложить нагрузку на две составляющих: вертикальную и горизонтальную. При отсутствии других внешних усилий вертикальная и горизонтальная составляющая будут равны, соответственно, максимальным значениям продольного и поперечного усилий (в месте приложения нагрузки). Исходя из вышеизложенного можно выразить:

На рис. 3 на основе допущения о справедливости принципа независимости действия сил построены графики зависимости продольного и поперечного усилия в голове сваи при воздействии вертикальной нагрузки и углах наклона сваи 5….25º. Как видно из графиков продольное усилие уменьшается с увеличением угла наклона сваи (до 9 ), а поперечное усилие возрастает (до 80 ). Незначительное изменение продольного усилия в свае при углах наклона до 25º позволяет сделать вывод о том, что осадка наклонной сваи не будет существенно отличаться от осадки вертикальной сваи при прочих равных условиях. Однако увеличение угла наклона сваи приводит к значительному возрастанию поперечного и моментного усилий. Недоучет этого факта может привести к разрушению сваи по материалу при нагрузках меньших, чем ее несущая способность по грунту.

Рис. 1. Графики зависимости жесткости сваи от класса бетона и площади арматуры при диаметрах сваи 0,13……0,35 м

Рис. 2. Графики зависимости изгибающего момента от горизонтальной нагрузки при свободной от закрепления (слева) и жестко защемленной (справа) голове сваи

Анализ несущей способности буроинъекционных свай на вертикальную нагрузку с учетом технологии их изготовления был выполнен с помощью статистической обработки более 200 полевых испытаний свай. Полевые испытания свай были проведены ПКТИ, в основном, в центральной части Санкт-Петербурга в период с 1991 по 2007 г.г. Длина свай составила от 5 до 28 м, диаметр от 0,13 до 0,35 м. Инженерно-геологические условия испытательных площадок в основном были представлены слабой толщей пылевато-глинистых отложений мощностью 10-20 м. По боковой поверхности свай находились глинистые грунты с консистенцией от текучей до мягкопластичной с редкими прослоями песков, пылеватых и мелких, рыхлых и средней плотности. Острие изготовленных свай опиралось на грунты с консистенцией от тугопластичной до полутвердой. В статистическую выборку вошли следующие технологии изготовления буроинъекционных свай:

- с помощью проходного шнека – 86 шт. (43,0 );

- под защитой обсадной трубы – 51 шт. (25,5 );

- под защитой глинистого раствора – 50 шт. (25,0 );

- сваи Titan – 13 шт. (6,5 ).

Спорным вопросом является критерий предельно допустимой осадки для сваи, на основе которого определяется ее несущая способность по грунту. Согласно требованию ГОСТ 5686-94 нагрузка при испытании сваи должна быть доведена до значения, при котором осадка сваи составляет не менее 40 мм. По рекомендациям СП 50-102-2003 если при максимальной достигнутой при испытаниях нагрузке осадка сваи окажется менее нормируемого значения, то за частное значение предельного сопротивления сваи () допускается принимать максимальную нагрузку, полученную при испытаниях. По ТСН 50-302-96 (для Санкт-Петербурга) несущая способность сваи при полевых испытаниях () принимается при вертикальной осадке равной 4 см. В связи с тем, что все испытания проводились на территории Санкт-Петербурга, проведение всех испытаний выполнялось согласно требованиям ТСН 50-302-96. При обработке результатов испытаний было установлено, что при вертикальной нагрузке равной расчетной несущей способности (), 190 свай (95 ) из всех испытанных свай получили осадку не более 2,0 см. Этот факт подтверждает вывод о том, что фактическая несущая способность буроинъекционных свай значительно превышает рассчитанную по таблицам СНиП.

Для каждой испытанной сваи была рассчитана несущая способность по таблицам СНиП. Результаты полевых испытаний и расчеты были распределены на четыре группы в зависимости от технологии изготовления свай. Для каждой группы было выполнено сравнение фактической и рассчитанной несущей способности путем соотношения их величин. Минимальное отношение составило 1,0, максимальное отношение - 3,1. Столь значительный разброс отношения может быть объяснен различием геометрических параметров изготовленных свай и недоучетом сцепления бетонного ствола сваи с грунтовым массивом. Отношение было распределено на семь интервалов с шириной каждого 0,3, то есть: 1,0 – 1,3, 1,3 – 1,6, 1,6 – 1,9, 1,9 – 2,2, 2,2 – 2,5, 2,5 – 2,8, 2,8 – 3,1.

В интервал 1,0 – 1,3 вошли соотношения, при которых , либо достаточно близко к этому условию. Интервал имеет достаточно низкое распределение частот для всех технологий (6-12,8 ), поэтому попадание в него отношения , можно объяснить следующими факторами:

- неточными инженерно-геологическими изысканиями площадки;

- дефектами изготовленных буроинъекционных свай.

В таблице 1 представлено распределение относительной частоты отношения по интервалам с учетом технологии изготовления свай.

На рис. 4 представлены сравнительные диаграммы фактических и рассчитанных величин несущей способности буроинъекционных свай с учетом технологии их изготовления. Точками на диаграммах обозначены фактические и рассчитанные значения несущей способности свай. Диагонали, выделенные пунктиром на диаграммах, соответствуют условию: . На всех диаграммах точки расположены выше диагонали, то есть фактическая несущая способность свай выше рассчитанной. Для каждой технологии построена линейная зависимость , где – эмпирический коэффициент, полученный из соотношения на основе статистической обработки (методом наименьших квадратов) экспериментальных и расчетных данных.

Полученные коэффициенты были проверены на соблюдение критерия Пирсона. При выполнении приведенного ниже условия, полученное соотношение справедливо с доверительной вероятностью 95 :

где - критерий Пирсона, на основе которого производится проверка выполнения условия для полученных коэффициентов;

По распределению Стьюдента получены двусторонние интервалы для коэффициентов при доверительной вероятности 95.

В таблице 2 приведены основные статистические параметры, полученные при обработке фактических и теоретических величин. Необходимо отметить, что, несмотря на относительно большие значения среднего квадратичного отклонения, и коэффициента вариации, величины корреляции (взаимосвязи) и находятся в пределах от 0,85 до 0,93. Эти показатели свидетельствует о тесной зависимости фактической и рассчитанной несущей способности.
Таблица 1. Распределение относительной частоты отношения по интервалам

Рис. 4. Сравнительные диаграммы фактических и рассчитанных значений несущей способности свай при различных технологиях их изготовления

Таблица 2. Основные статистические параметры отношения

Анализ работы сваи на горизонтальную нагрузку был выполнен на основе пяти полевых испытаний свай, выполненных ПКТИ в Санкт-Петербурге на ул. Вавиловых д. 8. Геометрические параметры испытанных свай следующие:

- сваи 1, 2 длина 12 м, диаметр 0,16 м;

- свая 3 длина 13,5 м, диаметр 0,16 м;

- свая 4 длина 8,5 м, диаметр 0,15 м;

- свая 5 длина 12,5 м, диаметр 0,16 м.

Инженерно-геологические условия площадки представлены грунтами со следующими прочностными и деформативными характеристиками начиная с уровня дневной поверхности:

- песок мелкий, рыхлый, влажный, мощностью 2,0 м (E₀ = 8000 кПа, = 20º, c = 0);

- песок мелкий, средней плотности, влажный, мощностью 2,30 м (E₀ = 12000 кПа,  = 25º, c = 1 кПа);

- суглинок текучепластичный, мощностью 4,0 м (E₀ =6000 кПа,  = 14º, c = 12 кПа);

- супесь пластичная, мощностью 3,20 м (E₀  10000 кПа,  = 18º, c  15 кПа).

Острие всех свай было выполнено в суглинке полутвердой консистенции (E₀   27000 кПа,   24º, c  25 кПа). Расчетная несущая способность свай на горизонтальную нагрузку составила 9,0 - 11,0 кН.

Для сравнительного анализа расчетных и фактических горизонтальных перемещений были определены перемещения свай при горизонтальных нагрузках аналитическим методом, методом СП 50-102-2003, и численными методами с помощью программ PLAXIS и SCAD.

На рис. 5 представлен график зависимости фактических и расчетных перемещений головы сваи от горизонтальной нагрузки. Как видно из графиков кривые носят различный характер. Перемещения свай 1, 2 носят линейный характер, а свай 3, 4, 5 – криволинейный. Это расхождение объясняется отличием геометрических параметров свай при их изготовлении и естественным разбросом прочностных и деформативных характеристик грунтов на площадке. Однако при незначительных перемещениях головы сваи (до 5 мм) все зависимости носят явно линейный характер. Этот факт позволяет сделать вывод о том, что при незначительных перемещениях сваи, напряженно-деформированное состояние системы: «буроинъекционная свая-грунт» находится в упругой стадии работы. Расчетные перемещения, полученные по рекомендациям СП 50-102-2003 носят линейный характер и хорошо коррелируются с полевыми испытаниями свай 1, 2, однако значительно отличаются от свай 3, 4, 5. Расчетные перемещения, полученные по программе SCAD и с помощью аналитического расчета, на основе упругой модели грунта носят линейный характер. Полученные перемещения имеют завышенные значения для свай 1, 2, но при этом заниженные величины для свай 3, 4, 5. Максимальные перемещения получились по результатам расчетов в программе PLAXIS на основе упругопластической модели грунта Мора-Кулона. Зависимость перемещений от нагрузки носит гиперболический характер, при этом значения перемещений превысили и фактические и расчетные величины. Это объясняется особенностями этой модели грунта, при которой перемещения могут перейти в пластическую стадию в отличие от упругой модели.

С учетом того факта, что горизонтальные и моментные усилия, как правило, носят знакопеременный характер, могут меняться по величине, и, как правило, являются циклическими, несущую способность свай на горизонтальную нагрузку рекомендуется принимать при перемещениях грунта, ограниченных в упругой стадии его работы. Согласно анализу различных полевых испытаний свай на горизонтальную нагрузку, упругая работа грунта и сваи возможна при перемещениях, не превышающих 3-5 мм.

Для подтверждения аналитического исследования о работе наклонной сваи на вертикальную нагрузку был выполнен анализ полевых испытаний двух вертикальных и одной наклонной сваи. Полевые испытания свай проведены ПКТИ в Санкт-Петербурге на Невском пр., д. 85. Длина всех испытанных свай составила 16,5 м, диаметр 0,132 м. Сваи 1, 2 были выполнены вертикальными, свая 3 с углом наклона к вертикали 8º. Инженерно-геологические условия площадки начиная от головы сваи представлены слабыми грунтами из сильносжимаемых супесей и суглинков с консистенцией от текучей до мягкопластичной и прослоями песков средней плотности. Острие всех свай было выполнено в тугопластичном суглинке. Рассчитанная несущая способность свай по грунту составила 180 кН. Сваи были испытаны на статические нагрузки 275 и 300 кН. При проведении испытаний осадки всех свай не превысили 0,7 см и незначительно отличались по величинам. Это подтверждает гипотезу, что осадка наклонной сваи не будет значительно отличаться от осадки вертикальной сваи при прочих равных условиях. Однако при нагрузке 275 кН наклонная свая 3 была разрушена, хотя ее перемещения не превысили предельно допустимых, а предполагаемая несущая способность по грунту составляла не менее 400 кН. На рис. 6 представлен график зависимости осадки от вертикальной нагрузки для двух вертикальных свай (1, 2) и одной наклонной сваи (3).

Рис. 5. Фактические и расчетные горизонтальные перемещения головы сваи

Рис. 6. График зависимости осадки трех свай от вертикальной нагрузки

Внедрение результатов исследований было осуществлено при реконструкции двух зданий в Санкт-Петербурге для оценки напряженно-деформированного состояния системы: «буроинъекционная свая-грунт». Одно здание является жилым и расположено на Литейном проспекте, д. 26. Фундаменты этого здания были усилены наклонными буроинъекционными сваями длиной 16 м, диаметром 0,15 м, с шагом 0,75 м и углом наклона 19º. Второе здание бывшего кинотеатра «Ленинград» расположено на Потемкинской улице д. 4. Фундаменты здания были усилены наклонными буроинъекционными сваями длиной 10 м, диаметром 0,15 м, с шагом 1,0 м и углом наклона 5º. При конструировании буроинъекционных свай усиления часто не учитывается, что реконструкция в условиях слабых грунтов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния и дополнительным осадкам фундаментов. При дополнительных осадках фундаментов на наклонные сваи передаются усилия, на которые они, как правило, не рассчитаны. При этом в связи с малым диаметром свай усиления и их расстоянием в осях, как правило, 5-7 d влияние кустового эффекта у этих свай незначительно. Передаваемые на сваи усилия и их последующая осадка определяются осадкой существующих фундаментов. Буроинъекционные сваи на этих двух объектах получили недопустимые деформации: 6 см для первого здания и 4 см для второго здания. По результатам аналитического и численных расчетов внутренние усилия в буроинъекционных сваях превысили предельно допустимые значения для жилого здания расположенного на Литейном проспекте, д. 26. Для здания бывшего кинотеатра «Ленинград» усилия в сваях не превысили предельно допустимых в связи с малым углом наклона свай. При сравнении результатов расчетов, выполненных аналитическим и численным методами, было установлено, что максимальная относительная разница величин усилий составила 17 , что говорит о хорошей сходимости всех методов и достаточной точности полученных результатов.

В таблице 3 приведены величины усилий в сваях, полученные по результатам расчетов в SCAD, PLAXIS и аналитическим методом.
Таблица 3. Величины усилий в сваях, полученные различными расчетными методами

- 1,4 < < 1,5 - с помощью проходного шнека (γ_cf = 1,0);

- 1,5 < < 1,6 - под защитой обсадных труб (γ_cf = 0,8);

- 1,5 < < 1,6 - под защитой глинистого раствора (γ_cf = 0,8);

- 2,0 < < 2,1 - сваи Titan (γ_cf = 0,8).

2. При статистической обработке полевых испытаний свай на статическую сжимающую нагрузку получены близкие границы интервалов для свай, изготовленных с помощью проходного шнека, под защитой обсадной трубы и глинистого раствора. Это объясняется эффектом опрессовки, которая «выравнивает» особенности устройства каждой технологии. Незначительное отличие границ интервалов для технологии проходного шнека объясняется более высоким значением коэффициента γ_cf = 1,0 принятого по методическим рекомендациям Санкт-Петербурга. Наиболее существенное влияние на несущую способность сваи оказывает продолжительность и величина давления опрессовки бетонной смеси, а также диаметр устраиваемой скважины. Это хорошо соотносится с высокими значениями границ интервалов для свай Titan, опрессованных под высоким давлением (0,4-0,6 МПа) и выполненных с небольшими диаметрами (преимущественно 0,13-0,15 м).

Выполнить объективную оценку влияния каждой технологии на несущую способность сваи возможно лишь в каждом индивидуальном случае на конкретной площадке. Для этого необходимо учесть многочисленные факторы, малейшее изменение которых значительно повлияет на величину несущей способности. К наиболее значимым факторам относятся: диаметр скважины, способ и скорость бурения скважины, диаметр шнека, толщина стенки обсадной трубы, вид применяемого глинистого раствора, характеристики мелкозернистой бетонной смеси, вид и физико-механические характеристики грунтов, продолжительность и величина давления опрессовки.

3. Несущая способность буроинъекционной сваи на горизонтальную нагрузку определяется жесткостью сваи и прочностными и деформационными характеристиками грунтов, залегающих в пределах 1,5-3,5 м от места приложения нагрузки. По результатам анализа полевых испытаний свай на горизонтальную нагрузку при малых деформациях грунта (3-5 мм) зависимость перемещения грунта от нагрузки близка к линейной. При возрастании нагрузки зависимость становится криволинейной, а при дальнейшем увеличении нагрузки грунт может резко перейти в пластическую стадию. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга на глубине 1,5…..3,5 от поверхности могут залегать насыпные, либо сильносжимаемые пылевато-глинистые грунты (с модулем деформации 5000-10000 кПа). Для обеспечения надежности и долговечности конструкций несущую способность сваи на горизонтальную нагрузку рекомендуется принимать при перемещениях грунта, ограниченных упругой стадией его работы.

4. Установлено, что при вертикальной нагрузке величиной от 50 до 1000 кН на буроинъекционную сваю, с углами наклона 5.......25º внутренние усилия в свае при различных значениях приведенной жесткости системы: «буроинъекционная-свая-грунт» могут измениться следующим образом:

- продольное усилие с увеличением угла наклона от 5 до 25º сваи уменьшается до 9 ;

- поперечное усилие с увеличением угла наклона сваи от 5 до 25º возрастает до 80 ;

- изгибающий момент с увеличением угла наклона сваи от 5 до 25º возрастает до 80 .

В связи с незначительным изменением продольного усилия в наклонной свае (при угле наклона сваи до 25º) осадка наклонной сваи не отличается значительно от осадки вертикальной сваи, что подтверждается результатами полевых испытаний. Однако увеличение угла наклона сваи вызывает необходимость повышать ее жесткость для обеспечения прочности ствола сваи на воздействие поперечного и моментного усилий.

5. Величины внутренних усилий в сваях, полученные по инженерному методу расчета имеют хорошую сходимость с численным моделированием. При сравнении результатов максимальное относительное расхождение составило 17. Таким образом, предлагаемый метод расчета сваи на горизонтальную нагрузку и наклонных свай на вертикальную нагрузку дает достаточно точные результаты и может быть применен на практике.

6. При конструировании буроинъекционных свай, воспринимающих значительные горизонтальные и моментные усилия, в месте сопряжения головы сваи с ростверком рекомендуется увеличивать площадь поперечного сечения сваи и арматуры на 30-40. Это мероприятие необходимо для обеспечения надежности и долговечности конструкций, так как наибольшие усилия в гибких сваях возникают в месте приложения нагрузки.
Список опубликованных статей по теме диссертации:
1. Конюшков, В. В. Анкерные сваи Titan/ В. В. Конюшков, В. М. Улицкий// Сборник трудов межвузовской научно-технической конференции Петербургского государственного университета путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2005. – С.60-62.

2. Конюшков, В. В. К определению несущей способности буроинъекционнных свай усиления/ В. В. Конюшков// Межвузовский тематический сборник трудов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. – СПб.: СПбГАСУ, 2006. – С.106-110.

3. Конюшков, В. В. Интерактивный мониторинг на объектах реконструкции/ В. В. Конюшков, М. А. Лучкин// Сборник трудов международной конференции ВНИИГ им. Веденеева Б. Е. – СПб.: ВНИИГ, 2006. – С.105-111.

4. Конюшков, В. В. Усиление фундаментов зданий исторической застройки как эффективный метод сохранения памятников архитектуры/ В. В. Конюшков, О. А. Ходюкова// Сборник трудов межвузовской научно-технической конференции Петербургского государственного университета путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2006. – С.64-67.

5. Конюшков, В. В. Сравнение фактической и расчетной несущей способности буронабивных свай устраиваемых под защитой глинистого раствора/ В. В. Конюшков, П. М. Бондарев// Межвузовский тематический сборник трудов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – С.22-28.

6. Конюшков, В. В. Несущая способность буроинъекционных свай в зависимости от конструкции и технологии изготовления/ В. В. Конюшков// Сборник трудов межвузовской научно-технической конференции Петербургского государственного университета путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2007. – С.55-59.

7. Конюшков, В. В. Оценка несущей способности буроинъекционных свай/ В. В. Конюшков, В. М. Улицкий// Вестник гражданских инженеров Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – С.52-57.

8. Конюшков, В. В. Исследование несущей способности буроинъекционных свай с учетом технологии их изготовления/В. В. Конюшков, В. М. Улицкий// Известия Орловского государственного технического университета. – Орел: ОрелГТУ, 2007. – С.68-74. (из списка ВАК).

Подписано к печати­­­­ 25.09.07. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,5. Тир. 120 экз. Заказ 152.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 4.