В третьей главе выполнено сравнение значений несущей способности свай вытеснения «DDS» на вертикальную нагрузку, полученных при полевых испытаниях в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, с величинами, рассчитанными по таблицам нормативных документов. Проведена статистическая обработка расчетных и фактических значений. Выполнена оценка влияния буровых свай вытеснения на окружающий геомассив на основе натурного эксперимента. Проанализирован процесс структурных изменений околосвайного массива грунта в процессе устройства свай вытеснения.
Анализ несущей способности свай вытеснения «DDS» на вертикальную нагрузку с учетом технологии их изготовления был выполнен с помощью статистической обработки 52 полевых испытаний свай. Полевые испытания были проведены ЗАО «ПКТИ» и ООО «БЭиСПР», с участием автора, в различных районах Санкт-Петербурга в период с 2003 по 2008 год. Длина свай составила от 10 до 26 м, диаметр от 0,41 до 0,55 м. Инженерно-геологические условия испытательных площадок в основном были представлены слабой толщей пылевато-глинистых отложений мощностью 10–20 м. По боковой поверхности сваи находились глинистые грунты с консистенцией от текучей до мягкопластичной с редкими прослоями песков пылеватых и мелких, рыхлых и средней плотности. Модуль деформации грунтов по боковой поверхности свай составлял 5…12 МПа. Острие изготовленных свай опиралось на грунты с консистенцией от тугопластичной до твердой.
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 (Fu) допускается принимать максимальную нагрузку, полученную при испытаниях. По ТСН 50-302-96 (для Санкт-Петербурга) несущая способность сваи при полевых испытаниях (Fu) принимается при вертикальной осадке равной 4 см. В связи с тем, что все испытания проводились на территории Санкт-Петербурга, критерий предельно допустимой осадки сваи был принят согласно требованиям ТСН 50-302-96. При обработке результатов испытаний было установлено, что при вертикальной нагрузке равной несущей способности (Fd), 50 свай (96%) из всех испытанных свай получили осадку менее 3,0 см. Этот факт подтверждает вывод о том, что несущая способность свай вытеснения, определенная на основе полевых испытаний, значительно превышает рассчитанную по методикам СП 50-102-2003.
Таблица 2
Распределение относительной частоты отношения Fu/Fd по интервалам
Для каждой испытанной сваи была рассчитана несущая способность по данным статического зондирования и по таблицам СП 50-102-2003. Результаты полевых испытаний и расчеты были распределены на две группы в зависимости от способа определения несущей способности сваи по грунту. Минимальное соотношение, полученное при определении несущей способности сваи по таблицам СП 50-102-2003, Fu/Fd составило 1,0, максимальное отношение Fu/Fd – 2,48, соотношения, полученные при определении несущей способности сваи по данным статического зондирования, составили Fu/Fd – 0,9 и Fu/Fd – 2,04, минимальное и максимальное соотношение соответственно. Столь значительный разброс отношения Fu/Fd может быть объяснен различием геометрических параметров изготовленных свай и недоучетом сцепления бетонного ствола сваи с грунтовым массивом. Отношение Fu/Fd, для значений несущей способности полученной по таблицам СП 50-102-2003 было распределено на шесть интервалов с шириной каждого 0,25, то есть: 1,0 – 1,25, 1,25 – 1,5, 1,5 – 1,75, 1,75 – 2,0, 2,0 – 2,25, 2,25 – 2,5, а для значений несущей способности сваи полученной по данным статического зондирования также на шесть, с шириной каждого 0,2: 0,9 – 1,1, 1,1 – 1,3, 1,3 – 1,5, 1,5 – 1,9, 1,9 – 2,1.
В интервалы 1,0 – 1,25 и 0,9 – 1,1, для несущей способности, вычисленной по таблицам СП 50-102-2003 и данным статического зондирования соответственно, вошли соотношения, при которых Fu = Fd, либо достаточно близко к этому условию. Интервал имеет низкое распределение частот для обоих способов определения несущей способности способов (11,5 – 15,4%), поэтому попадание в него отношения Fu/Fd, можно объяснить следующими факторами:
неточностью инженерно-геологических изысканий на площадке;
дефектами изготовления буронабивных свай.
В табл. 2 представлено распределение относительной частоты отношения Fu/Fd по интервалам с учетом методики определения несущей способности сваи по грунту.
Рис. 3. Сравнительные диаграммы фактических и рассчитанных значений несущей способности свай при различных способах определения несущей способности
На рис. 3 представлены сравнительные диаграммы фактических и рассчитанных величин несущей способности свай вытеснения при различных способах определения несущей способности по грунту. Точками на диаграммах обозначены фактические и рассчитанные значения несущей способности свай. Диагонали, выделенные пунктиром на диаграммах, соответствуют условию Fu = Fd. На диаграмме, показывающей зависимость вычисленной по методики СП 50-102-2003 несущей способности сваи вытеснения по грунту, от фактических значений несущей способности все точки расположены выше диагонали, то есть фактическая несущая способность свай выше рассчитанной. А на диаграмме, показывающей зависимость несущей способности свай вытеснения, вычисленной по данным статического зондирования, от фактических значений несущей способности две точки лежат ниже диагонали и шесть практически совпадают с ней. Это говорит о том, что в целом фактическая несущая способность свай выше значений полученных расчетом, но вычисленные значения более точно отражают фактические значения несущей способности свай вытеснения по грунту. Для каждого из способов определения несущей способности свай по грунту построена линейная зависимость Fu=k∙Fd, где k – эмпирический коэффициент, полученный из соотношения k=Fu/Fd на основе статистической обработки экспериментальных и расчетных данных.
Полученные коэффициенты были проверены на соблюдение критерия Пирсона. При выполнении приведенного ниже условия, полученное соотношение  справедливо с доверительной вероятностью 95 :
 , (1)
где 2 < 3,443 – критерий Пирсона, на основе которого производится проверка выполнения условия для полученных коэффициентов;
k – вариативные величины отношения Fu/Fd;
Fd – несущая способность сваи вытеснения, вычисленная по таблицам СП 50-102-2003 или определенная по данным статического зондирования, тс;
Fu – несущая способность сваи вытеснения, определенная по результатам испытаний свай на статическую сжимающую нагрузку, тс.
По распределению Стьюдента получены двусторонние интервалы для коэффициентов  при доверительной вероятности 95.
В табл. 3 приведены основные статистические параметры, полученные при обработке фактических и теоретических величин. Необходимо отметить, что, величины корреляции Fu и Fd находятся в пределах от 0,733 до 0,794. Эти показатели свидетельствует о тесной зависимости фактической и рассчитанной несущей способности.
Таблица 3
Основные статистические параметры отношения Fu/Fd
Для определения влияния, при устройстве буровых свай вытеснения, на окружающий геомассив автором совместно с кафедрой «Геотехники» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета была проведена серия экспериментов с использованием установки RIG Geotech 204D.
Эксперимент проводился на строительной площадке (пл. Островского, Санкт-Петербург), где осуществлялось устройство свайного поля из буровых свай диаметром 560 мм и длиной 28 м по технологии «DDS». Поскольку работы предполагали устройство свай в непосредственной близости к существующему зданию, требовалось оценить изменения свойств грунта после изготовления свай. В связи с этим, испытания методом СРТ производились в точке будущего расположения сваи и затем на расстоянии 1,5 м; 3,0 м; 4,5 м от оси сваи, через сутки после ее изготовления.
Было выполнено сопоставление удельного сопротивления грунтов по конусу, по муфте трения, а также изменения порового давления в грунте до и после изготовления сваи.
В результате эксперимента было выявлено некоторое уменьшение сопротивления, как по острию, так и по боковой поверхности конуса в верхнем слое среднезернистых песков. В нижележащих пылеватых песках и в подстилающих пылевато-глинистых грунтах эти отличия несущественны. Отмечено также значительное уменьшение порового давления на границе пылеватого песка и глины. В остальном, поровое давление, как в слое песков, так и в пылевато-глинистом грунте на расстоянии 1,5 м после изготовления сваи существенно не изменилось.
Рис. 4. Развитие осадок марок во времени
На рис. 4 по данным наблюдений А.В. Кузнецова изображены графики развития деформаций окружающих домов при устройстве свайного поля из свай вытеснения в центральной части Петербурга.
Расстояние от марок до контура свайного поля и наблюдавшиеся максимальные деформации приведены в табл. 4.
Таблица 4
Расстояние от марок до контура свайного поля и максимальные деформации
А.В. Кузнецов отмечает следующие особенности развития деформаций окружающих зданий при устройстве близкого свайного поля:
Первоначально происходит подъем соседних зданий на 0,2 – 4,0 мм;
После подъема наблюдается длительная осадка, даже если работы на участке прекращены.
Обращаясь к результатам вышеизложенного численного моделирования можно отметить, что на коротких отрезках времени грунт ведет себя как несжимаемая модель Кулона–Мора, а с течением времени переходит к упрочняющейся модели.
Этому факту можно дать следующее объяснение исходя из специфических свойств недоуплотненных слабых грунтов Санкт-Петербурга.
В период быстрого вытеснения грунта при изготовлении сваи вследствие малой водопроницаемости грунт деформируется как несжимаемая жидкость, и формирование полости сопровождается выпором грунта вверх. Вокруг изготовленной сваи возникает область повышенного порового давления, рассеяние которого в дальнейшем сопровождается оседанием поверхности грунта. Кроме того, здесь может включиться еще один механизм слабых грунтов. При деформировании в процессе изготовления сваи нарушаются седиментационные связи кристаллизационной природы, определяющие структурную прочность грунта. В результате вновь активизируются процессы фильтрационной консолидации и ползучести грунтов в полях напряжений от сил гравитации и ранее приложенных нагрузок, сопровождающиеся осадками. Эти особенности свойств петербургских грунтов не учитываются в полной степени в моделях грунтов программы Plaxis, что возможно и явилось причиной расхождения результатов моделирования с фактической картиной.
Из таблицы 4 видно, что небольшой технологический подъем соседних зданий наблюдается на расстояниях до 30 м. Амплитуда подъема на порядок меньше допустимых дополнительных деформаций зданий (20 мм для кирпичных зданий 3-й категории технического состояния – ТСН 50-302-2004) и может не приниматься во внимание. Технологическая осадка с амплитудой до 20мм может наблюдаться на расстояниях до 10 м.
В четвертой главе изложены результаты внедрения выполненных исследований, даны рекомендации по применению технологии вытеснения «DDS». Приведены поправочные коэффициенты превышения расхода бетона к объему скважины.
Буронабивные сваи вытеснения, изготавливаемые по технологии «DDS» (Drilling Displacement System), разновидность буронабивных свай, которые изготавливаются в грунте бурением с использованием специального бурового наконечника, позволяющего вытеснять разбуриваемый грунт в стороны. При этом бетонная смесь подается через отверстие на буровом наконечнике при помощи бетононасоса и одновременно с подъемом снаряда производится заполнение скважины бетоном.
Формирование скважины под сваю происходит за счет вдавливающего усилия и вращения бурового снаряда-раскатчика. Грунт разбуривается нижней частью снаряда с последующим уплотнением цилиндрической частью. Буровой инструмент также служит для подачи бетонной смеси на забой скважины, и для заполнения скважины бетоном под давлением при помощи бетононасоса, что, в свою очередь, обеспечивает опрессовку скважины и увеличение площади передачи нагрузки (за счет площади поверхности уплотненного грунта) примерно на 30 %.
Последовательность выполнения работ по сооружению буронабивных свай по технологии «DDS» включает в себя следующие операции: подготовка рабочей площадки для обеспечения маневра буровой установки и доставки бетона; монтаж бурового и вспомогательного оборудования; постановка бурового станка БГ-25 на точку для устройства скважины под сваю, и точная фиксация бурового инструмента с использованием геодезической основы разбивки осей; проходка скважины ходом инструмента вниз; подсоединение бетононасоса «МЕСВО» к установке БГ-25; подъем бурового инструмента вверх с одновременным закачиванием бетона через клапанное устройство в нижнюю зону скважины под давлением до 300 кПа; контроль давления бетона по датчику (при увеличении давления бетона необходимо увеличить скорость подъема бурового инструмента); отсоединение бетононасоса «МЕСВО» от установки БГ-25; отъезд установки БГ-25 от скважины; установка монтажного крана, оборудованного вибропогружателем, рядом с заполненной бетоном скважиной, для погружения арматурного каркаса (при работе в стесненных условиях, исходя из построечных условий, арматурный каркас может погружаться с использованием специальной лебедки буровой установки БГ-25); погружение в скважину с бетоном арматурного каркаса с удлинителем на проектную отметку при помощи вибропогружателя; отсоединение удлинителя от каркаса и извлечение его из скважины.
Целесообразность применения данного вида буронабивных свай вытеснения определяется конкретными инженерно-геологическими условиями строительной площадки и особенностью объекта на основе технико-экономических показателей возможных вариантов проектных решений. Данная технология наиболее эффективна в условиях залегания водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов с низкими показателями прочностных и деформационных свойств в Санкт-Петербурге, Северо-Западном и других регионах России.
Буронабивные сваи вытеснения, выполняемые по технологии «DDS», могут использоваться в широком спектре строительства, как при новом строительстве, так и при реконструкции существующих зданий и сооружений: в качестве свайных фундаментов встроек, пристроек при реконструкции внутригородских территорий и действующих промышленных предприятий; для устройства свайных фундаментов при строительстве зданий и сооружений с нагрузкой на сваю до 3500 кН; для стабилизации слабых неконсолидированных водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов в основании насыпей, дорог; при устройстве свайных оснований транспортных сооружений (мостов, путепроводов, галерей под трубопроводы); при уплотнении грунтов для обеспечения противооползневой защиты.
Ограничением по применению свай, изготавливаемых по технологии «DDS», являются большие толщи (более 6–8 метров) плотных песчаных и гравийных грунтов, глин твердой консистенции или выветрелых трещиноватых скальных пород. В случае наличия данных грунтов сваи «DDS» могут использоваться при следующих условиях: толща несжимаемого грунта ограничена, напластования над слоем несжимаемого грунта должны быть сжимаемы, при забуривании в несжимаемый слой, вытесняемый грунт отжимается вверх.
Таблица 5
|
