Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БУРОИНЪЕКЦИОННОЙ СВАИ, ИМЕЮЩЕЙ КОНТРОЛИРУЕМОЕ УШИРЕНИЕ, С ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

Чикишев В.М. 1 Самохвалов М.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»
На сегодняшний день во многих городах и регионах Российской федерации существует большое коли-чество зданий и сооружений, которые являются памятниками истории, архитектуры, и культуры своего времени. Большая часть из них нуждается в реконструкции и модернизации в соответствии с со-временными требованиями, которые регламентируют освоение подземного пространства таких зданий с целью размещения в них объектов социальной, инженерной и транспортной инфраструктуры. Для решения данной проблемы в статье даётся описание нового способа устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением для реконструкции зданий и сооружений с возможностью освоения их подземного пространства и результаты связанных с ним теоретических исследований. По результатам исследований предлагается новый подход к расчёту геометрических параметров образующейся буроинъекционной сваи с контролируемым уширением в пылевато-глинистых грунтах, определению радиуса уплотнённой зоны, изменения НДС и физико-механических характеристик грунтового массива возле неё. Также в статье представлены результаты численного моделирования в программе Plaxis процесса образования контролируемого уширения во время закачки инъекционного раствора и статического нагружения получившегося уширения в сравнении с экспериментальными данными.
подземный этаж.
реконструкция
статические испытания
слабые глинистые грунты
пакер
контролируемое уширение
буроинъекционная свая
1. Голубев К.В. Усиление оснований фундаментов нагнетаемыми несущими элемента-ми: дис… канд. техн. наук . – Пермь, 2006. - 220с.
2. Ермолаев В.А. Закрепление оснований зданий и сооружений методом гидроразрыва при неоднократном инъектировании: дисс. к-та техн. наук / В.А. Ермолаев // СПбГАСУ – Санкт-Петербург, 2013. - 166с.
3. Мангушев Р.А., Осокин А.И. Геотехника Санкт-Петербурга. Монография. – М.: Изда-тельство АСВ. – 2010. – 264 с.
4. Петухов А.А. Совершенствование способа устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий: дис… канд. техн. наук. – Томск 2006. - 192с.
5. Патент на изобретение RU №2522358 С1 от 19.12.2012 / Способ изготовления буро-инъекционной сваи с контролируемым уширением / Я.А. Пронозин, Ю.В. Зазуля, М.А. Са-мохвалов.
6. Результаты лабораторных и полевых исследований изготовления буроинъекционной сваи с контролируемым уширением / Я. А. Пронозин, М.А. Самохвалов, Д.В. Рачков // Промышленное и гражданское строительство. 2014. №3 С.63-68
7. Лалетин Н. В. Расчет свайных оснований на действие осевой вертикальной нагрузки. Вестник ВИА, №78, 1954. - с.37-65
8. Есипов А. В. Взаимодействие микросвай с грунтовым основанием при усилении фундаментов: дис… канд. техн. наук. – Тюмень. 2002. - 168с.
9. Богомолов В.А. Предложения по расчету геотехногенных систем, выполненных методами высоконапорной инъекции // Труды Междунар. научно-практической конф. по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. В 2т. – Пермь: изд-во Перм.гос.техн. университета,2004. – Т.1.- С. 25-31.
В соответствии с федеральной целевой программой правительства Российской Федерации «Сохранение и развитие архитектуры исторических городов» для решения проблемы освоения подземного пространства реконструируемых зданий и сооружений проведя сравнительный анализ существующих инженерных решений [1-4] авторами был разработан и впоследствии запатентован [5] новый способ устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением (рис.1).

 Подпись: Рис. 1 Схема устройства буроинъекци-онной сваи с контролируемым уширени-ем
1 – скважина;
2 – труба-инъектор;
3 – хомут крепления;
4 – резиновая мембрана-стакан;
5 – резиновые манжеты;
6 – шланг подачи раствора;
7 – пакер;
8 – бетонная пробка;

Подпись: I - бурение скважины, II – монтаж арматурного каркаса в виде трубы-инъектора, подача пакера в первую зону инъекционных отверстий,  III – процесс инъецирования раствора;

Для того чтобы правильно прогнозировать поведение буроинъекционных свай с контролируемым уширением в различных грунтовых условиях были выполнены теоретические исследования.

Основные задачи теоретических исследований:

1.Изучение напряженно-деформированного состояния уплотнённой зоны грунтового массива  возле образующегося уширения  во время закачки инъекционного раствора;

2. Выявление основных закономерностей формирования пластической и упругой области возле буроинъекционной сваи с контролируемым уширением;

3. Сравнение результатов теоретических исследований с результатами полевых исследований [6].

            Полевые исследования [6] проходили на строительной площадке, расположенной на пересечении улиц Щербакова и Дружбы г. Тюмени,  инженерно-геологические условия которой показаны в табл.1.

Таблица 1

№ ИГЭ

Вид грунта

Глубина Н, м

Показатель текучести, IL

    , кН/м3

      , град

     , кПа

Е, МПа

1

Насыпной грунт

0-2,0

-

18,5

-

-

-

2

Супесь пластичная

2,0-4,0

0,40

19,8

19,0

8,0

11,0

3

Суглинок мягкопластичный

4,0-9,0

0,75

18,6

15,0

11,0

7,0

 

            Голубев К.В. [1] рассматривает осесимметричную задачу расширения кругового отверстия диаметром, равным диаметру сваи (уширения), и, исходя из условия равенства компонент напряжения на границе упругой и пластической областей, определяют радиус уплотненной зоны грунта при погружении сваи по формуле:

 (1)

где d – диаметр нижнего конца сваи (уширения); p – радиальное давление на контуре (давление обжатия); p0 – природное горизонтальное давление грунта на рассматриваемой глубине;  – коэффициент бокового давления грунта.

            При этом рассматриваются две области вокруг сваи: упругая и пластическая.

Лалетин И.В. [7] считает, что часть вытесняемых сваей частиц грунта расходуется на изменение его структуры в пределах уплотнённой зоны, а другая часть возмещает объёмные изменения, возникающие вследствие упругих деформаций грунта за пределами уплотнённой зоны. При этом уплотнение грунта происходит за счёт уменьшения объёма пор, в то время как объём частиц грунта остаётся постоянным. Выражение для определения радиуса уплотнения имеет вид:

 (2)

где r – радиус сваи; k0 – коэффициент, показывающий долю вытесняемых сваей частиц грунта, расходуемых непосредственно на образование уплотнённой зоны; С – модуль остаточной деформации грунта;  – радиальное напряжение на границе уплотнения.

Необходимо отметить, что использование данной формулы в практических расчётах затруднено ввиду сложности определения коэффициента k0.

            Есипов А.В. [8] и Петухов А.А. [4]  для определения радиуса уплотнённой зоны грунтового массива предлагают использовать экспериментально-теоретический способ, основывающийся на реальных данных изменения характеристик грунта (в частности изменения плотности) возле уширения на основании сетки отбора монолитов грунта с использованием эмпирической зависимости:

 (3)

 

            где  – плотность сухого грунта на расстоянии ();   – природная плотность сухого грунта;  – максимальное значение плотности сухого грунта;  – расстояние до рассматриваемой точки;  – радиус уширения на конце сваи;  – коэффициент аппроксимации.

            Значение максимальной плотности сухого грунта для слабых глинистых грунтов авторы предлагают принимать равным 1,55 – 1,6 г/см3, значение параметра = 1,275. В данном способе не учитывается изменение напряжённого состояния массива грунта возле образующегося уширения при закачке раствора под давлением.

            Богомолов В.А. [9] описывает напряженно-деформированное состояние уплотнённой зоны грунтового массива исходя из уравнения равновесия для случая расширения сферической полости:

 

где - радиальные и тангенциальные напряжения;

            Решение задачи базируется на использовании модели упрочняющейся физически анизотропной (разномодульной) грунтовой среды (УРС). Данная модель основана на представлении о существовании упругих (е), допредельных пластических (р) и предельных пластических (f) деформаций по каждому из трех главных направлений. Важнейшей характеристикой среды является начальное напряжение (например, от собственного веса грунта) или любое большее напряжение, когда-либо действовавшее в каждом из трех направлений. Физические соотношения выражаются следующим образом:

где-деформации,-напряжения соответственно в радиальном, тангенциальном и вертикальном направлениях; - коэффициент Пуассона;  – модуль деформации при сжатии; - коэффициент разномодульности (-модуль деформации при растяжении).

            Напряжения в пластической области определяются на основе условия прочности Кулона-Хворслева, модифицированного для упрочняющейся грунтовой среды:

где       – переменное сцепление,

– среднее напряжение в грунте (параметр упрочнения).

            Принципиальное отличие этого условия от традиционного условия прочности Кулона состоит в том, что состояние сдвига анализируется с переменным сцеплением ci и постоянным углом внутреннего трения.

Критическое давление ркр, соответствующее началу образования пластических деформаций (напряжения в упругой области достигают предельных значений) на поверхности сферической полости определяется по следующей формуле:

Деформации при р>ркр определяются как продолжение упругих и пластических деформаций протекающих по закону пластического течения:

Радиус уплотнённой зоны массива грунта, которая развивается при р>ркр, описывается следующим выражением:

 (4), где          

            Сравнение результатов теоретических и полевых исследований радиуса уплотнённой зоны грунтового массива представлено в таблице 2.

Таблица 2

Методы определения

Среднее значение R, м

Гистограмма сравнения

1. Полевые исследования [6]

0,64

2. Голубев К.В. [1]

0,78

3. Лалетин И.В. [7]

0,84

4. Есипов А.В., Петухов А.А.   [4,8]

0,72

5. Богомолов В. А. [9]

0,66

            Таким образом, предложенная Богомоловым В.А. модель УРС на наш взгляд является наиболее подходящей для описания закономерностей образования контролируемого уширения на конце буроинъекционной сваи в слабых пылевато-глинистых грунтах, так как имеет две принципиальные особенности: разномодульность и упрочнение, которые зависят как от свойств грунта, так и от конкретного НДС.

Численное моделирование осуществлялось в программном комплексе PLAXIS_8.2 с использованием осесимметричной упругопластической модели грунтового основания с критерием прочности Мора-Кулона в первом случае при помощи расширения кластера (рис. 2),  во втором случае при помощи равномерно распределенной нагрузки, расширяющей оболочку изнутри (рис. 3).

Рис. 2. Моделирование образования уширения с помощью расширения кластера на 3%

Рис. 3. Моделирование образования уширения с помощью давления P=1.2 МПа

Оба способа имеют свое прикладное технологическое значение: первый случай подходит для определения радиуса уплотнённой зоны грунтового массива, второй - для определения минимально требуемого давления закачки раствора.

Что касается результатов моделирования статического нагружения уширения, то сходимость с PLAXIS_8.2 составляет 10% (рис.13), что позволяет использовать полученные данные при проектировании.

Рис. 4. Моделирование статического нагружения уширения, сходимость 10%

Рецензенты:

Чекардовский М.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень;

Миронов В.В., д.т.н., профессор кафедры «Водоснабжения и водоотведения» ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень.

 


Библиографическая ссылка

Чикишев В.М., Самохвалов М.А. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БУРОИНЪЕКЦИОННОЙ СВАИ, ИМЕЮЩЕЙ КОНТРОЛИРУЕМОЕ УШИРЕНИЕ, С ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16480 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252