Буронабивные сваи являются одной из наиболее часто применяемых конструкций для передачи нагрузки на основание. Использование буронабивных свай начинается со сравнительно малых диаметров и длин при коттеджном, малоэтажном строительстве, возведении малых архитектурных форм и достигает значительных размеров (десятков метров в длину, до нескольких метров в диаметре) при строительстве зданий повышенного класса ответственности, мостов и уникальных сооружений [1, 2]. Практика строительства показывает, что буронабивные сваи могут эффективно применяться при реконструкции зданий и сооружений в сфере усиления конструкций фундаментов, подземных частей здания и конструкций, взаимодействующих с основанием [3, 4].
Таким образом особенное значение приобретают научные исследования, направленные на развитие теории взаимодействия буронабивных свай с основанием и технологии увеличения их несущей способности [5].
Широкое применение технологии изготовления буронабивных свай вскрыло класс проблем, с которыми сталкиваются при их выполнении: образование шлама в забое скважины; малая несущая способность (сравнительно с другими технологиями); высокая деформативность неуплотненной зоны основания (затруднен процесс их включения в работу при усилении фундаментов) [5–7].
Экспериментальные исследования
Целью настоящего исследования является изучение работы буронабивной сваи с термохимическим уширением в основании.
Для выявления влияния термохимического уширения (ТХУ) на несущую способность буронабивных свай проведены исследования моделей свай на экспериментальной площадке. В качестве моделей свай использовались монолитные бетонные буронабивные сваи длиной L = 700 мм, диаметром d = 130 мм. В качестве термохимической смеси используется термитная смесь, обеспечивающая на выходе высокую температуру горения в бескислородной среде. Дистанционная инициация термохимической смеси производилась по принципу «электрических спичек» [8]. Технология создания моделей буронабивных свай и устройства в них при помощи термохимической смеси уширения показана на рис. 1.
Рис. 1. Технология создания буронабивной сваи термохимического уширения в буронабивной свае по стадиям: 1 ст. – устройство скважины в основании; 2 ст. – фиксирование термохимической смеси в забое скважины с последующей укладкой бетонной смеси; 3 ст. – дистанционная инициация термохимической смеси и получение уширения в свае с созданием уплотненной зоны в основании
В инженерно-геологическом отношении экспериментальная площадка равномерно с поверхности до глубины до 2,8 м сложена суглинком мягкопластичным, который является качественным однородным основанием в пределах исследуемой зоны деформирования буронабивной сваи и термохимического уширения [9].
После полного набора прочности бетона проведены испытания моделей буронабивных свай статической вдавливающей нагрузкой по ГОСТ 5686-2012 Грунты. Методы полевых испытаний сваями. Вертикальная статическая нагрузка сообщалась ступенями по 0,1–0,2 кН (100–200 кг) посредством гидравлического домкрата ДГ-5, регистрация перемещений свай производилась по двум прогибомерам Максимова ПМ-3.
При обработке результатов экспериментальных исследований использовалось классическое решение аппроксимации степенными функциями методом наименьших квадратов (рис. 2).
Рис. 2. График зависимости осадки от нагрузки буронабивной сваи при экспериментальных исследованиях в связном основании: S1 = f(N1) – свая без термохимического уширения; S2 = f(N2) – свая с ТХУ
Рис. 3. График зависимости осадки от нагрузки S = f(N) буронабивной сваи в связном основании: 1, 2 – испытания модели сваи в связном грунте соответственно без ТХУ и с ТХУ; 3, 4 – моделирование методом КЭ буронабивной сваи соответственно без ТХУ и с ТХУ
Таким образом, в результате проведенной серии испытаний можно отметить, что при осадках более S = 30 мм несущая способность свай с ТХУ превышает несущую способность свай без уширения в N2/N1 = 1,2 раза.
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния
На начальном этапе проверки гипотезы о влиянии инициации термохимической смеси в забое буронабивной сваи было проведено численное физическое моделирование с использованием геотехнического комплекса Plaxis 2D. Дальнейшие экспериментальные исследования подтвердили принятые геометрические параметры и физические модели, принятые в расчетах [10].
В качестве расчетной модели использовалась осесимметричная модель буронабивной сваи, расчетная область принята размерами 5d*2,5L, где d – диаметр буронабивной сваи поверху, L – длина сваи. Разбивка расчетной области на конечные представлена на рис. 4.
Рис. 4. Разбивка расчетной области на треугольные конечные элементы
Рис. 5. Вертикальные напряжения σy в основании буронабивной сваи
а) б)
Рис. 6. Вертикальные Uy (а) и горизонтальные Uz (б) перемещения в основании буронабивной сваи
Рис. 7. Развитие зон пластических деформаций в основании с ростом нагрузки N для буронабивной сваи без уширения и с уширением (ТХУ)
Рассмотрим основные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния буронабивных свай с термохимическим уширением (ТХУ) в связном грунте. Исследованиями установлено, что несущая способность свай с ТХУ более чем в 1,2 раза выше практически во всем диапазоне осадок (рис. 3). Расчетные графики зависимости осадки от нагрузки S = f(N) для свай с уширениями имеют высокую корреляцию с аппроксимациями экспериментальных данных, что подтверждает корректность и обусловленность выбранной геометрической и физической расчетной модели [11, 12].
Наличие уширения, полученного с использованием термохимической смеси, положительно влияет на работу буронабивной сваи в основании [13].
На рис. 5 приведены изолинии вертикальных напряжений sy в связном основании для буронабивной сваи с использованием термохимического уширения и тестовой сваи без ТХУ. Наибольшее увеличение диаметра сваи в забое производилось на 10–15 %, что обеспечивает снижение максимальных вертикальных напряжений sy до 15 %, обеспечивая включение в работу большего объема грунта в основании в сторону от центра сваи и выше плоскости острия.
На рис. 6, а, представлены вертикальные перемещения Uy в основании сваи без ТХУ (слева) и с термохимическим уширением (справа). Для сваи с ТХ-уширением (справа) отмечается увеличение зоны деформирования основания вокруг сваи в 1,10–1,15 раза за счет созданной эллиптической формы уширения, перераспределяющей нагрузку на сваю. В текущем примере при равных осадках S2 = S1 нагрузки на сваю отличаются в N2/N1 = 1,25 раза.
На рис. 6, а, представлены вертикальные перемещения Uy в основании сваи без ТХУ (слева) и с термохимическим уширением (справа). Для сваи с ТХ-уширением (справа) отмечается увеличение зоны деформирования основания вокруг сваи в 1,10–1,15 раза за счет созданной эллиптической формы уширения, перераспределяющей нагрузку на сваю. В текущем примере при равных осадках S2 = S1 нагрузки на сваю отличаются в N2/N1 = 1,25 раза.
Для приведенных приложенных нагрузок на рис. 6, б, приведены горизонтальные перемещения Ux для буронабивной сваи и ее аналога с применением термохимической смеси. Горизонтальная компонента перемещений грунта в основании в результате приложения нагрузок становится более выраженной за счет изменения направления передачи усилий от преимущественно вертикального. Поэтому максимальные горизонтальные перемещения Uxmax, локализованные преимущественно в области забоя скважины, для сваи с уширением на 30–40 % больше, чем для сваи без уширения.
Для анализа зоны деформирования основания на рис. 7 представлено развитие зон пластических деформаций по основным стадиям приложения нагрузок. Для обеих конструкций свай отмечается относительно равный объем грунта, перешедший на соответствующих стадиях в пластическую стадию. Различия заключаются в появлении зон пластических деформаций в области вокруг и в сторону от уширения, что означает, что окружающая его часть основания активно начинает включаться в работу и имеет положительное влияние на конечную несущую способность сваи.
Численное моделирование термодинамических процессов
Термохимическое уширение обусловлено фазовым переходом свободной влаги (несвязанной физико-химической реакцией затворения смеси) из жидкого состояния в парообразное. Для описания этого фазового перехода необходимо рассмотреть свободную энтальпию пароводяной смеси в малом масштабе времени [14].
Рассмотрим тепловой баланс системы «свая с ТХУ – грунт». Примем, в первом приближении, тепловой поток на границах системы (на удалении 2,0 м от оси симметрии сваи) равным 0 Вт. Таким образом, вся тепловая энергия заряда поглощается бетонной смесью, энтальпией перехода воды в пар и окружающим грунтом
Qзаряд = Eвода + Eпар + Qбетон + Qгрунт . (1)
Описанные выше грунтовые условия позволяют с достаточной точностью составить систему уравнений теплового баланса системы.
Qгрунт = cгрунт (t,φ)•mгрунт•Δtбетон-грунт , (2)
Qбетон = cбетон•mбетон•Δtзаряд-грунт`, (3)
Eвода = f(pвода, Δtзаряд-грунт`), (4)
Eпар = f(pпар, Δtзаряд-вода`). (5)
Градиент температур определяется в ходе численного эксперимента методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS. Применяемая модель нестационарного тепломассопереноса, позволяет оценить как длительность процесса нагрева бетонной смеси, так и процесс перехода несвязной воды из жидкого в газообразное состояние. Не учтенные, в первом приближении, процессы конвективного теплообмена в неньютоновской жидкости (бетонной смеси) оцениваются как несущественные. Прорывы газообразных продуктов сгорания по телу сваи от заряда к устью скважины мало сказываются на процессе теплопереноса ввиду низкой теплоемкости газа.
Как видно из рис. 8, процесс прогрева тела бетона до точки кипения воды проходит между первой и второй минутой. Зона прогрева меж стенкой «грунт/свая» и зарядом прогревается выше 100 °С (минимальная температура в зоне прогрева) за 126 секунд. Вместе с тем стоит отметить, что при сопоставимой энергоемкости процесса горения эффективнее использовать смеси с меньшей температурой горения, но большим временем химической реакции, что обеспечит длительный равномерный прогрев, повышая удельную энтальпию бетонной смеси.
Рис. 8. Процесс прогрева тела сваи с ТХУ в сечении плоскости симметрии. Слева направо: термограмма на 10 секундах, термограмма на 50 секундах, термограмма на 100 секундах прогрева
Требуются дополнительные изыскания для определения теплофизических свойств бетонной смеси в пограничном состоянии (при переходе из жидкого в отвержденное состояние) [15].
Применение зарядов с соотношением «диаметр/высота» более 1:10 не может признаться эффективным, из-за увеличения влияния конвективных процессов тепломассобмена в теле сваи.
Выводы
1. По результатам экспериментальных исследований в связном грунте установлено, что при осадках более S = 30 мм несущая способность моделей буронабивных свай с ТХУ превышает несущую способность свай без уширения в N2/N1 = 1,2 раза.
2. Численное моделирование работы буронабивных свай с уширением, полученным в результате инициации термохимической смеси, возможно проводить с использованием геотехнических комплексов КЭ-анализа и получать адекватную картину распределения компонент напряженно-деформированного состояния (рис. 4–7). В результате расчетов установлено: сваи с ТХ-уширением – отмечается увеличение зоны деформирования основания вокруг сваи в 1,10–1,15 раза за счет созданной эллиптической формы уширения, перераспределяющей нагрузку от сваи на основание.
3. Процесс прогрева тела бетона в свае с ТХУ до точки кипения воды проходит между первой и второй минутой. Зона прогрева меж стенкой «грунт/свая» и зарядом прогревается выше 100 °С (минимальная температура в зоне прогрева) за 126 секунд. Таким образом, выгоднее применять смеси низкотемпературного горения, но с большей длительностью химической реакции.
4. Численное моделирование показало, что удлинение заряда в пропорциях больше 1:10 (диаметр заряда к его высоте) не несет значимого положительного эффекта. Наоборот, в таком случае неизбежно увеличение доли конвективного теплообмена в системе, что снизит эффективность свай с ТХУ.
Полученные выводы подтверждают высокий потенциал использования конструкций свай с ТХУ в промышленном и гражданском строительстве, а также при реконструкции зданий и сооружений при должной проработке технологии производства работ.