Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ С ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ УШИРЕНИЕМ В ОСНОВАНИИ

Глушков А.В. 1 Хинканин Л.А. 1 Соколов Н.С. 2 Глушков И.В. 3 Сергеев С.А. 1
1 Поволжский государственный технологический университет
2 Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
3 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В статье представлены результаты экспериментальных исследований влияния уширения в забое буронабивной сваи на ее несущую способность. Для выявления влияния термохимического уширения (ТХУ) на несущую способность буронабивных свай проведены исследования моделей свай на экспериментальной площадке. В качестве моделей свай использованы модели бетонных буронабивных свай длиной 700 мм, диаметром 130 мм. Проведено комплексное сравнение результатов модельных экспериментальных исследований и расчетов методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния свай с термохимическим уширением в забое. В сравнении рассмотрено влияние появления уширения на отдельные компоненты деформированного и напряженного состояния. Для анализа зоны деформирования основания представлено развитие зон пластических деформаций по основным стадиям приложения нагрузок. Проведено моделирование термодинамических процессов, проходящих в забое скважины при устройстве термохимического уширения буронабивной сваи. Градиент температур определяется в ходе численного эксперимента методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS. В результате расчетов установлено: сваи с ТХ-уширением – отмечается увеличение зоны деформирования основания вокруг сваи за счет созданной эллиптической формы уширения. Экспериментальные исследования указывают на значительное увеличение несущей способности буронабивных свай при использовании с термохимического уширения. Проработанная комбинация аналитической и численной методики расчета оптимальной формы и массы заряда позволяет подобрать необходимое количество инициирующей смеси. Статья предназначена для специалистов в области промышленного и гражданского строительства и инженеров-геотехников.
буронабивные сваи
уширение
термохимическое уширение
метод конечных элементов
механика грунтов
геотехника
напряженно-деформированное состояние
1. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. – М.: Изд-во АСВ, 2014. – 728 с.
2. Крутов В.И. Основания и фундаменты на насыпных грунтах. – М.: Стройиздат, 1988. – 223 с.
3. Пронозин Я.А. 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. 56–60.
4. Федоров В.С. Конструктивные решения свайных фундаментов с концевыми и поверхностными уширениями для структурно-неустойчивых оснований / В.С. Федоров, Н.В. Купчикова // Вестник гражданских инженеров. – 2011. – № 1. – С. 88–90.
5. Полищук А.И. Определение усилия вдавливания инъектора инъекционной сваи в глинистых грунтах / А.И. Полищук, А.А. Петухов, А.А. Тарасов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2013. – № 2(39). – С. 346–353.
6. Глухов В.С. Исследование влияния уширения свай в пробитых скважинах на осадку / В.С. Глухов, О.В. Хрянина, М.В. Глухова // Известия юго-западного государственного университета. – 2011. – № 5–2(38). – С. 351–354.
7. Мельников Р.В. Исследование влияния уширения свай в пробитых скважинах на осадку / Р.В. Мельников, О.С. Порошин, М.А. Самохвалов // Научное обозрение. – 2015. – № 17. – С. 73–77.
8. Суворов А.В. Карамельная ракета / А.В. Суворов // Популярная механика. – 2016. – № 9. – С. 86–89.
9. Ponomaryov A.B., Sazonova S.A. The use of express method for determining the modulus of deformation of fill soil. Challenges and Innovations in Geotechnics – Proceedings of the 8th Asian Young Geotechnical Engineers Conference, 8AYGEC 2016 8th, 2016, pp. 283–286.
10. Шашкин А.Г. Критический анализ наиболее распространенных нелинейных моделей работы грунта / А.Г. Шашкин // Инженерная геология. – 2010. – № 3. – С. 29–37.
11. Дидух Б.И. Упругопластическое деформирование грунтов: монография. – М.: Изд-во УДН, 1987. – 166 с.
12. Зарецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. – М.: Стройиздат, 1988. – 352 с.
13. Wei H.W. Design parameter optimization of beam foundation on soft soil layer with nonlinear finite element / H.W. Wei, Y.Z. Wu, Z.H. Yu // Journal of Central South University. 2012. Vol. 19. № 6. рр. 1753–1763.
14. Пат. 110489 Российская Федерация. МПК G 01 N 25 18,G 01 N 33 24. Устройство для определения теплофизических качеств грунта, прилегающего к зданиям и сооружениям, по температуропроводности в натурных условиях / Муреев П.Н., Куприянов В.Н., Котлов В.Г. и др.; заявитель и патентообладатель Марийский ГТУ. – № 2011107056/28. 2011 г.
15. Хинканин Л.А. Влияние теплопроводных включений на температурные поля в пористых телах / Л.А. Хинканин, А.П. Хинканин // Научному прогрессу – творчество молодых: мат. межд. науч. конф. – Йошкар-Ола: Изд-во ПГТУ, 2013. – С. 177–179.

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.

gluh1.tif

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).

gluh2.tif

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

gluh3.tif

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.

gluh4.tif

Рис. 4. Разбивка расчетной области на треугольные конечные элементы

gluh5.tif

Рис. 5. Вертикальные напряжения σy в основании буронабивной сваи

gluh6a.tif gluh6b.tif

а) б)

Рис. 6. Вертикальные Uy (а) и горизонтальные Uz (б) перемещения в основании буронабивной сваи

gluh7.tif

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.

gluh8.tif

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.


Библиографическая ссылка

Глушков А.В., Хинканин Л.А., Соколов Н.С., Глушков И.В., Сергеев С.А. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ С ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ УШИРЕНИЕМ В ОСНОВАНИИ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 6. – С. 55-61;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37033 (дата обращения: 18.09.2021).

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 = 1.074