STUDY OF POTENTIAL INCREASING OF SHORT DRIVEN PILE LOADING-CARRYING ABILITY THROUGH SPREADING DEVICE IN UPPER PART

Full Text

Свая переменного поперечного сечения с пирамидальной верхней частью и призматической нижней получила свое применение в промышленном строительстве как односвайный фундамент. Такая свая устраивается, например, под стойку, без создания свайного куста. Изменяющееся по длине поперечное сечение сваи способствует созданию значительной зоны уплотненного грунта в околосвайном пространстве. За счет уширения верхней части и, соответственно, увеличения боковой поверхности пирамидально-призматическая свая способна эффективно воспринимать как вертикальную, так и горизонтальную нагрузки [1-3]. Область применения сваи такого типа ограничивается консистенцией грунта. Применять пирамидальнопризматические сваи рекомендуется в грунтах, имеющих показатель текучести JL в диапазоне 0,2-0,6. Длина таких свай, применяемых в промышленном строительстве, составляет до 12,0 м. Продольный размер уширения может составлять 30-50 % от общей длины сваи [4, 5]. Устройство пирамидально-призматических свай осуществляется пробивкой штампом или пробуриванием в грунте конусовидной полости или скважины, представляющей собой в дальнейшем верхнюю пирамидальную часть сваи. Далее в дно образовавшейся выштампованной скважины производится забивка призматической сваи, после чего выштампованная полость бетонируется. Таким образом, создается комбинированная свая с развитым верхним поперечным сечением. Также возможен вариант создания цельной штампонабивной сваи [6, 7]. Авторами предлагается альтернативный способ устройства - путем забивки готовой сваи. Аналога забивной пирамидально-призматической сваи на сегодняшний день не существует. Способ увеличения площади опирания верхней части («головы») сваи интересен тем, что значительно упрощает технологический процесс её изготовления по сравнению с устройством уширения нижнего конца («пятки») сваи. Также существенным положительным фактором является исключение появления зазора между 31 Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) В.И. Исаев, А.В. Мальцев, А.А. Карпов верхней частью сваи и грунтом, встречающегося в результате забивки призматических свай [8-14]. Однако наличие наклонных граней не позволяет, по понятным причинам, забивать сваи большой длины. Поэтому готовые сваи подобной формы рекомендуется делать короткими, что нисколько не принижает их значения и актуальности для фундаментостроения. Наиболее перспективным направлением использования коротких пирамидально-призматических свай является малоэтажное строительство [15]. Применение таких забивных свай до настоящего времени сдерживают два производственных фактора. Во-первых, потоковое изготовление вышеназванных изделий в заводских условиях затруднительно по причине наличия скошенных граней сваи. Во-вторых, установка этой сваи на точку забивки и дальнейшее ее погружение вызывает трудности, связанные с фиксацией в оголовке молота верхнего конца с наклонными поверхностями. Однако все эти проблемы, связанные с устройством пирамидально-призматической сваи, поддаются решению, а некоторые технические сложности оправдываются её значительной несущей способностью [16]. Проведенный авторами качественный сравнительный анализ результатов лотковых испытаний аналогичных по размерам пирамидально-призматической и призматической забивных свай показал, что уширение верхней части является конкурентоспособным конструктивным решением, повышающим несущую способность сваи. Для исследования указанных выше свай в лабораторных условиях на физических моделях был разработан лоток с загрузочной и реперной системами. Лоток цилиндрический, в плане диаметром 410 мм, высотой 500 мм. Загрузочная система представляет собой рычажный одноплечный механизм. Длина рычага составляет 750 мм, длина плеча нагрузки - 250 мм. Перемещение модели сваи определялось жестко закрепленным на независимой балке индикатором часового типа (ИЧ-10) с точностью до 1×10-2 мм. Схема испытательного лотка и его общий вид показаны на рис. 1 и 2. В качестве заполнения лотка применена искусственно созданная модель грунта, представляющая собой смесь мелкого песка и технического солидола в отношении 10:1. Полученный аналог грунтового массива характеризовался следующими физико-механическими показателями: плотность грунта ρ=1,78 г/см3; модуль деформации Е= 21,6 МПа; удельное сцепление с=4,7 кПа; угол внутреннего трения φ = 22°. Испытываемые образцы были изготовлены из цементно-песчаной смеси с соблюдением геометрических пропорций натурных свай. Всего было испытано 4 модели свай (одна призматическая и три пирамидально-призматических): - призматическая - размеры поперечного сечения модели сваи 30×30 мм, длина 250 мм; - пирамидально-призматические - различались размерами поперечного сечения «головы» модели сваи: 45×45 мм, 60×60 мм, 75×75 мм. Размеры поперечного сечения «пяты» у всех моделей равнялась 30×30 мм. Общая длина свай была принята 250 мм, длина пирамидальной части во всех трех случаях составляла 50 % от общей длины. Эскиз одной из моделей пирамидальнопризматических свай и общий вид всех испытываемых моделей свай представлены на рис. 3 и 4 соответственно. Для сравнительной оценки повышения несущей способности забивной сваи за счет устройства Рис. 1. Схема испытательного лотка Рис. 2. Общий вид испытательного лотка Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) 32 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ Рис. 3. Эскиз модели пирамидально-призматической сваи Рис. 4. Общий вид испытываемых моделей свай Рис. 5. Результаты экспериментального исследования модели призматической сваи-«эталона» Нагрузка, кН Рис. 6. Результаты экспериментального исследования пирамидально-призматической сваи с уширением 45×45 мм 33 Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) В.И. Исаев, А.В. Мальцев, А.А. Карпов Нагрузка, кН Рис. 7. Результаты экспериментального исследования пирамидально-призматической сваи с уширением 60×60 мм Нагрузка, кН Рис. 8. Результаты экспериментального исследования пирамидально-призматической сваи с уширением 75×75 мм Нагрузка, кН Рис. 9. Обобщенные графики зависимости перемещений свай от вертикальной нагрузки Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) 34 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ уширения в ее верхней части было произведено испытание призматической сваи вертикальной вдавливающей нагрузкой в качестве «эталонного образца». Далее аналогичным способом последовательно были испытаны различные модели пирамидальнопризматических свай. Лотковые испытания физических моделей свай статической вертикальной нагрузкой производились по следующей методике: 1. Модельная свая забивалась в грунт в центре лотка до проектной глубины 250 мм. Нагружение забивной сваи статической вдавливающей нагрузкой начиналось после её «отдыха». В ходе лабораторного опыта при испытании сваи в лотке продолжительность «отдыха» сваи составляла 20 мин. 2. Монтировалась рычажная балка. Шток рычажной балки через металлическую прокладку устанавливался на верхний конец сваи. 3. Монтировалась независимая от загрузочной системы реперная балка, на которую закреплялся индикатор ИЧ-10 для замера вертикальных перемещений модельной сваи. 4. К свае прикладывалась статическая ступенчато-возрастающая нагрузка. Величина ступеней нагрузки принималась равной 0,09 кН. 5. Испытания в лабораторных условиях проводились по ускоренной методике. За величиной вертикальных перемещений сваи под нагрузкой следили по показаниям индикатора: первый отсчет снимался сразу после приложения очередной ступени нагрузки, последующие - через каждые 2 мин до условной стабилизации перемещений. За условную стабилизацию вертикальных перемещений модели сваи под каждой ступенью нагрузки принималась разница в отсчетах по индикатору, не превышающая цену деления ИЧ-10 (т.е. не более 0,01 мм) за последний интервал времени наблюдения. 6. Увеличение нагрузки на сваю производилось до тех пор, пока величина перемещений сваи от последней приложенной ступени нагрузки более чем в 5 раз превышала величину перемещений от предыдущей ступени. По результатам лотковых испытаний для каждой сваи были построены графики-зависимости вертикальных перемещений от нагрузки и определены значения предельной критической нагрузки. Графики зависимости перемещений моделей свай от нагрузки приведены на рис. 5-9. Анализ проведенных исследований на физических моделях свай в лотке показал увеличение несущей способности призматической забивной сваи за счет пирамидального уширения её верхней части: - у модели с размерами поперечного сечения «головы» 45×45 мм - на 11 %; - у модели с размерами поперечного сечения «головы» 60×60 мм - на 58 %; - у модели с размерами поперечного сечения «головы» 75×75 мм - на 194 %. Результаты выполненных исследований позволяют сделать вывод о том, что предложенное авторами конструктивное решение по повышению несущей способности забивной сваи в относительно слабом грунте является эффективным. Для более детального изучения вопроса качественной и количественной оценки повышения несущей способности сваи за счет пирамидального уширения планируется создание расчетной модели «свая-грунт» в современном программном комплексе и исследование работы предложенной конструкции сваи в различных грунтовых условиях с помощью математического моделирования.

About the authors

Veniamin I. ISAEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey V. MALTSEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey A. KARPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files