Increasing the bearing capacity of the driven piles by increasing the strength of the surrounding piles space

Full Text

Территории, отводимые под застройку, не всегда имеют основания с достаточными прочностными свойствами. Толщи грунтов таких оснований могут достигать десятки метров, что приводит к повышенному расходу материалов и общих затрат на возведение конструкций нулевого цикла. В большинстве случаев повышение численных значений физико-механических характеристик слабых оснований производят за счёт закрепления грунтов путём нагнетания в них специальных закрепляющих растворов, механическими способами улучшения характеристик путём поверхностного и глубинного уплотнения, устройством грунтовых свай, армированием и пр. [1‒3]. Все вышеописанные способы повышения несущей способности грунта требуют использования сложных механизмов, привлечения высококвалифицированного персонала, больших временных затрат [4, 5].

В предлагаемом исследовании представляется способ увеличения прочности околосвайного пространства забивной сваи за счёт применения щебня или отходов стекла [1, 2]. Щебень, как сыпучий материал, полученный путём дробления более крупных монолитных пород, широко применяется в строительстве в качестве как отдельных слоёв, например в дорожном строительстве, так и является составляющей частью какой-либо конструкции. В свою очередь стекло в строительстве, как изделие, применяется в качестве заполнителя оконных проёмов, облицовки и отделки ограждающих конструкций, из стеклянных блоков возводят конструкции перегородок, а также оно используется в качестве утеплителя, например стекловата или пеностекло. В данном случае при увеличении несущей способности околосвайного пространства применяются отходы стекла в виде боя.

Стекло – это твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава, как инертный материал не вступает в химические реакции, не является токсичным, имеет длительный период разложения, не оказывает опасного влияния на окружающую среду и, в частности, на человека [6]. Следует отметить, что в России каждый год производится около 11 млн. тонн стекла, а на вторичную переработку поступает лишь 0,023 % от произведённого объема, а это говорит о том, что значительная часть стекла вывозится на полигоны твердых бытовых отходов, т. е. выводится из оборота.

Все исследовательские работы по повышению несущей способности забивной сваи за счёт повышения прочности околосвайного пространства проводились в лабораторных условиях в грунтовом лотке, имеющем диаметр 410 мм, глубину 500 мм. Модельным грунтом являлся песок мелкий, смешанный с машинным маслом (имитирующим влажность), плотностью 1,75г/см³ [7]. Модельные сваи в количестве двух штук изготовлены из дерева, с размерами постоянного поперечного сечения 15×15 и 20×20 мм, длиной 220 мм. Щебень, как элемент улучшения околосвайного пространства, имеет фракцию 3–5 мм, стекло представлено в виде крошки с размером частиц также 3–5 мм. Нагружение сваи производилось через рычажную систему ступенчатой нагрузкой, ступенями по 20 Н, а вертикальное её перемещение фиксировалось индикатором часового типа с ценой деления шкалы 0,01 мм (ГОСТ 5686–2020 «Грунты. Метод полевых испытаний сваями»). Лабораторная установка показана на рис. 1.

Рис. 1. Лабораторная установка по статическому испытанию свай

Fig. 1. Laboratory installation for static testing of piles

В процессе исследования было проведено три серии экспериментов:

• в первой серии погружение свай осуществлялось в грунт без улучшения околосвайного пространства (рис. 2);

Рис. 2. Погружённая модель сваи в грунт, без улучшения околосвайного пространства

Fig. 2. A submerged pile model in the ground, without improving the surrounding pile space

• во второй серии сваи погружались в грунт с улучшенным околосвайным пространством, выполненным с применением щебня;
• в третьей серии свая погружалась в грунт с улучшенным околосвайным пространством, выполненным с применением боя стекла (рис. 3).

Рис. 3. Погружённая модель сваи в грунт с улучшенным околосвайным пространством с применением боя стекла

Fig. 3. A submerged pile model in the ground with an improved near-pile space using glass striking

Устройство улучшения околосвайного пространства осуществлялось следующим образом. В модельном грунте пробуривались скважины диаметром 3d и 6d (где d – диаметр сваи), глубиной 250 мм, после чего их полости заполнялись послойно щебнем или стеклом с уплотнением ручным способом до отметки устья. После заполнения скважин в массив щебня или стекла погружалась модельная свая ударами киянкой по её оголовку на глубину 200 мм. После забивки свае давался отдых в течение 45 мин. По истечении вышеуказанного времени на отдых, через рычажную систему на оголовок сваи передавалась нагрузка ступенями по 20 Н посредством приложения на вертикальный подвес рычажной системы грузов массой 1,0 кг. Приложение нагрузки на сваю происходило до момента достижения её осадки в 7,0 мм и более, после чего по осадке сваи величиной 7,0 мм определялась её несущая способность.

Всего было проведено по пять экспериментов в каждой серии для диаметров скважин 3d и 6d, а также для свай 15×15 и 20×20 мм.

Для лучшего понимания результатов эксперимента предлагается упрощенная таблица.

Анализируя результаты проведённых лабораторных испытаний, можно сделать вывод о том, что несущая способность забивной сваи, чьё околосвайное пространство было улучшено щебнем, в среднем в 1,6 раза выше, чем у сваи без улучшения околосвайного пространства, а у сваи с улучшением околосвайного пространства стеклобоем ‒ в среднем в 2,6 раза выше по сравнению с неулучшенным околосвайным пространством. По всей видимости, повышение несущей способности забивной сваи с улучшенным околосвайным пространством происходит следующим образом. В процессе постепенного погружения сваи ударной нагрузкой вокруг её боковой поверхности происходит доуплотнение заполнителя скважины, а также слоя грунта за стенками самой буровой скважины. При приложении ступенчатой нагрузки на оголовок сваи по боковой её поверхности возникают силы трения с элементами заполнителя. Заполнитель в свою очередь также за счёт сил трения включает в совместную работу уплотнённый грунт за стенкой скважины, что приводит к увеличению площади боковой поверхности, через которую передается нагрузка на основание. Увеличение несущей способности забивной сваи произойдет также и под её пятой за счёт сформированного уплотнённого грунтового ядра, которое будет включать в себя фрагменты щебня или стекла.

Следует также отметить, что при повышении несущей способности сваи за счёт применения отходов стекла решается и экологический вопрос, а именно то, что стеклобой будет использоваться повторно и соответственно его применение в строительстве будет способствовать улучшению экологической обстановки и снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду.

About the authors

Dmitry V. Popov

Author for correspondence.
Email: popov38@yandex.ru

PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Structural Mechanics, Engineering Geology, Bases and Foundations Chair

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Laboratory installation for static testing of piles

Download (365KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. A submerged pile model in the ground, without improving the surrounding pile space

Download (239KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. A submerged pile model in the ground with an improved near-pile space using glass striking

Download (298KB)

Indexing metadata