На строительных площадках при наличии слабых несущих слоев грунта традиционным решением являются свайные фундаменты большой длины. Вытрамбованные фундаменты, а также короткие пирамидальные сваи [1, 2], фундаменты оболочки [3] и плитно-свайные фундаменты [4, 5] являются наиболее рациональными конструкциями фундаментов при наличии сложных инженерно-геологических условий. В результате экспериментов было выявлено, что призматическая свая обладает несущей способностью в 2–2,5 раза меньше, чем вытрамбованные фундаменты. Столь значительное расхождение в несущей способности объясняется иным характером взаимодействия основания с вытрамбованным фундаментом, в сравнении с призматической сваей, и значительной областью уплотнения грунта вокруг вытрамбованного фундамента [6]. В связи с этим были произведены геометрические расчеты комбинированного свайного фундамента, которые представлены в табл. 1, для расчета были приняты размеры при значении Н = 1 м и сторона сваи равна 0,3 м.
Таблица 1
Размеры комбинированного фундамента
|
Сторона сваи (h), м |
0,3 |
0,4 |
α0 |
H,м |
|
|
R, м |
0,30 |
0,35 |
15 |
0,5 |
|
|
R, м |
0,36 |
0,41 |
20 |
0,5 |
|
|
R, м |
0,43 |
0,48 |
25 |
0,5 |
|
|
R, м |
0,50 |
0,55 |
30 |
0,5 |
|
|
R, м |
0,33 |
0,38 |
15 |
0,6 |
|
|
R, м |
0,40 |
0,45 |
20 |
0,6 |
|
|
R, м |
0,48 |
0,53 |
25 |
0,6 |
|
|
R, м |
0,57 |
0,62 |
30 |
0,6 |
|
|
R, м |
0,36 |
0,41 |
15 |
0,7 |
|
|
R, м |
0,45 |
0,50 |
20 |
0,7 |
|
|
R, м |
0,54 |
0,59 |
25 |
0,7 |
|
|
R, м |
0,64 |
0,69 |
30 |
0,7 |
|
|
R, м |
0,39 |
0,44 |
15 |
0,8 |
|
|
R, м |
0,49 |
0,54 |
20 |
0,8 |
|
|
R, м |
0,60 |
0,65 |
25 |
0,8 |
|
|
R, м |
0,72 |
0,77 |
30 |
0,8 |
|
|
R, м |
0,42 |
0,47 |
15 |
0,9 |
|
|
R, м |
0,53 |
0,58 |
20 |
0,9 |
|
|
R, м |
0,65 |
0,70 |
25 |
0,9 |
|
|
R, м |
0,79 |
0,84 |
30 |
0,9 |
|
|
R, м |
0,45 |
0,50 |
15 |
1 |
|
|
R, м |
0,57 |
0,62 |
20 |
1 |
|
|
R, м |
0,71 |
0,76 |
25 |
1 |
|
|
R, м |
0,86 |
0,91 |
30 |
1 |
|
|
R, м |
0,60 |
0,65 |
15 |
1,5 |
|
|
R, м |
0,78 |
0,83 |
20 |
1,5 |
|
|
R, м |
0,99 |
1,04 |
25 |
1,5 |
|
|
R, м |
1,21 |
1,26 |
30 |
1,5 |
Технология производства вытрамбованного фундамента следующая. Вытрамбованные фундаменты изготавливают при помощи копровой установки, оборудованной дизель-молотом или вибропогружателем. Рабочий орган состоит из направляющей, по которой происходит погружение, и конусообразного пробойника. Пробойник представляет собой металлическую конусообразную форму, в верхней части которой крепится пружинный механизм, он необходим для извлечения пробойника из грунта. С помощью кронштейна конусообразный пробойник крепится к направляющей. Воздействие на пробойник от дизель-молота передается через наголовник. Пробойник погружается в грунт за счет многократного ударного воздействия дизель-молотом. При достижении грунта пружинный механизм многократно уплотняет основание вокруг пробойника. В результате чего не происходит выпор, разрыхление и разуплотнение грунта в непосредственной близости от котлована. Пробойник извлекают, когда сила сжатия опорных пружин превосходит силу трения и сцепления поверхности рабочего органа о стенки котлована [7]. Затем сваебойный копер погружает сваю заданной длины на проектную отметку. Рабочую арматуру сваи оголяют, устанавливают металлический каркас и производят обетонирование для совместной работы забивной сваи и вытрамбованной части фундамента [8].
Целью настоящего исследования является изучение работы комбинированного фундамента, состоящего из забивной сваи длиной L = 0; 3; 6; 9 м и вытрамбованного элемента с углом α = 150, 200, 250, 300 к вертикали относительно наклонной грани. Выявление зависимости от угла наклона вытрамбованного элемента и длины сваи к несущей способности фундамента.
Численные исследования
Расчеты производились в условиях осесимметричной задачи в программном комплексе Plaxis 2D. На основании обзора литературных данных [9–11] была разработана расчетная схема фундамента, грунтового основания и уплотненной зоны. Расчетные характеристики основания приведены в табл. 2. Нагрузка на фундамент доводилась до предельных значений.
Таблица 2
Расчетные характеристики грунта
|
Наименование грунта |
Мощность слоя |
IL, д. ед. |
γ, кН/м3 |
φ, град |
c, МПа |
E, МПа |
ν |
Ψ, град |
|
Супесь пластичная |
15 м |
0,36 |
18,03 |
24,7 |
0,015 |
8,5 |
0,32 |
1 |
|
|
|
|
А). L = 0 м. 1 – α = 150, 2 – α = 200, 3 – α = 250, 4 – α = 300 |
Б) L = 3 м. 1 – α = 150, 2 – α = 200, 3 – α = 250, 4 – α = 300 |
|
|
|
|
В) L = 6 м. 1 – α = 150, 2 – α = 200, 3 – α = 250, 4 – α = 300 |
Г) L = 9 м. 1 – α = 150, 2 – α = 200, 3 – α = 250, 4 – α = 300 |
Рис. 1. Зависимость осадки фундамента от значений α и различной длины сваи L при различных ступенях нагрузки Р кН
На рис. 1 приведены основные зависимости осадка – нагрузка при различных значениях α и длине сваи L. С увеличением нагрузки в активной зоне фундамента начинают развиваться области пластических деформаций, зависимость «осадка – нагрузка» на рис. 1, А–Г, приобретает нелинейный характер.
Результаты исследования и их обсуждение
Рассмотрим основные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния комбинированных свайных фундаментов. При анализе рис. 1, А, видно, что при длине сваи L = 0 изменение угла от 150 до 300 приводит к увеличению несущей способности вытрамбованного фундамента в 1,75 раз при осадке S = 2 см. На рис. 1, Б–Г, наблюдаем, что с увеличением длин сваи при α = 150 несущая способность фундамента изменяется соответственно в 1,72; 2,21; 2,76 раз относительно фундамента при L = 0. Для фундаментов с α = 200 при изменении длины сваи несущая способность изменяется в 1,6; 2,29; 2,77 раз соответственно, а при α = 250 с увеличением длины сваи несущая способность фундамента изменяется в 1,55; 1,94; 2,35 раз. При значениях α = 300 увеличение несущей способности фундамента при изменении длины сваи составит 1,28; 1,7; 1,96 раз.
Результаты зависимостей осадки фундамента от длины свай и угла наклона боковой грани показаны на рис. 2. При α = 150 и Р = 200 кН соотношение осадки будет равно 0,48; 0,36; 0,31 для L = 3; 6; 9 м соответственно, с увеличением нагрузки Р = 400 кН при α = 250 несущая способность фундамента изменяется соответственно в 0,57; 0,37; 0,34 раз. С увеличением значения α = 300 соотношение несущей способности при Р = 600 кН соответственно длинам свай составит в 0,48; 0,34; 0,31 раз, а при Р = 800 кН соотношения равны 0,39; 0,21; 0,17 раз.
|
|
|
|
α = 150. 1 – 200 кН, 2 – 400 кН |
α = 200. 1 – 200 кН, 2 – 400 кН |
|
|
|
|
α = 250. 1 – 200 кН, 2 – 400 кН, 3 – 600 кН |
α = 300. 1 – 400 кН, 2 – 600 кН, 3 – 800 кН |
Рис. 2. Зависимость осадки фундамента S см, от длины свай L м и угла α0 при различных ступенях вертикальной нагрузки
Изополя вертикальных перемещений представлены на рис. 3. Они вытянуты вдоль комбинированного свайного фундамента. На глубине 2-3h (h – сторона сваи) ниже плоскости острия сваи и на расстоянии 2-4d в горизонтальном направлении вертикальные перемещения составляют не более 0,25 от общей осадки фундамента. Вертикальные перемещения грунта в уплотненной зоне достигают 0,45–0,75 от максимальной осадки комбинированного свайного фундамента, то есть уплотненная зона деформируется вместе с фундаментом.
|
α = 150. L = 3 м |
α = 250. L = 6 м |
Рис. 3. Изолинии вертикальных перемещений
Зоны пластических деформаций по глубине на рис. 4 возникают в области уплотненной зоны по боковой поверхности фундамента. Горизонтальное распространение зависит от угла наклона вытрамбованного элемента, с увеличением угла зоны могут доходить до 5-7D (D – диаметр вытрамбованной части по верху).
|
α = 150. L = 6 м |
α = 250. L = 6 м |
Рис. 4. Распределение зон пластических деформаций
|
α = 300. L = 3 м |
α = 250. L = 9 м |
Рис. 5. Сжимающие напряжения для комбинированного фундамента
Анализ изменения вертикальных напряжений σу на рис. 5 показывает, что максимальные значения сжимающих напряжений находятся в плоскости острия сваи и вдоль тела сваи.
Выводы
1. Увеличение угла наклона боковой поверхности при S = 2 см приводит к уменьшению влияния длины сваи на несущую способность фундамента ввиду того, что проявляется арочный эффект вытрамбованного фундамента.
2. При сравнении свай длиной L, равной 6 м, 9 м уменьшается эффективность применения длинных свай.
3. Получены картины напряженно-деформированного состояния комбинированных свайных фундаментов.
4. При небольших нагрузках до 300 кН можно использовать только вытрамбованную часть фундамента с углом выше 250. При диапазоне нагрузок 300–700 кН рационально использовать комбинированный свайный фундамент с длиной центральной сваи 3 м и углом выше 250, а для свай длиной 6 м и углом в диапазоне от 150–300.