Delist.ru

Исследование напряженно-деформированного состояния маловлажного песчаного грунта вокруг свай-РИТ (29.05.2007)

Автор: Буданов Алексей Александрович

При испытаниях по ГОСТ 5686-94 подтверждается высокая НС свай-РИТ: при буровом диаметре d=180мм – более 50т, при d=250мм – превышает 100т, при d=300мм – 150т и более, при этом, осадки не превышают допустимых значений, а после снятия нагрузки, измеряются первыми мм. (рис. 1б). Однако, в связи с недостаточным обоснованием расчета их НС по грунту, приходится значительно занижать допускаемую нагрузку. В результате, НС свай-РИТ, устанавливаемая при испытаниях вдавливающей нагрузкой, в 2…4 раза превышает НС, рассчитываемую по СНиП 2.02.03-85 (п.4.6.), в 2…2,5 раза – по рекомендациям применения буроинъекционных свай (М: изд.НИИОСП, 1997 и 2001г.), а вычисленная по СП 50-102-2003 (п.7.2.6), имеет 2-х кратный запас.

Анализ результатов испытаний свай-РИТ и методов расчета их НС позволил сформулировать задачи исследований.

Во второй главе выделены особенности воздействия ЭВ на грунт, проведены теоретические исследования изменения НДС околосвайного грунта в процессе изготовления свай-РИТ, а также обоснован подход к расчету их НС.

Решением задач о НДС грунта вокруг расширяющейся полости (как в статической, так и в динамической постановке) занимался ряд исследователей: Г.К.Акутин, А.Ф.Беляев, А.А.Вовк, С.С.Григорян, Б.И.Дидух, Н.В.Зволинский, П.Л.Иванов, В.Г.Кравец, Н.В.Лалетин, Ф.К.Лапшин, Г.М.Ляхов, Г.И.Покровский, Б.П.Попов, Х.А.Рахматуллин, В.Н.Родионов, Г.В.Рыков, А.Я.Сагомонян, М.А.Садовский, В.И.Смирнов, Л.Р.Ставницер, И.И.Тамм, З.Г.Тер-Мартиросян, В.Г.Федоровский, Г.И.Черный, Р.С.Шеляпин, K.Terzaghi, H.G.Hopkins, A.D.Cox, P.Chadwick, H.S.Yu, J.P.Carter и многие другие.

Рис. 2. К механизму формирования НДС грунта вокруг сваи-РИТ.

По сравнению с изменением НДС грунта, в процессе бурения скважины и заполнения ее бетонной смесью, основное преобразование НДС происходит при РИО скважины – циклическом импульсном воздействии (удар-разгрузка) с накоплением остаточных деформаций и напряжений в грунте (рис. 2). Уплотненное состояние грунта должно обеспечивать неполную релаксацию его напряжений, а до некоторого остаточного значения, больше природного.

Точный прогноз размеров КУ ствола сваи-РИТ и зон преобразованного вокруг них НДС грунта – достаточно трудная задача. Основные сложности исследований импульсного пробоя в жидкостях состоят в относительном непостоянстве амплитуды возмущающего давления - рис. 3 и быстротечности процесса (менее 0,5мс) при высоких давлениях, достигающих в канале разряда n·109Па. К тому же, при ЭВ, размеры формируемых КУ, а, следовательно, ЗУ и зон измененного НДС вокруг них, зависят от многих факторов: вида грунта; состава бетонной смеси; параметров и количества

Попытки рассчитать НС свай, изготовленных с помощью ЭВ, на основе расчета давления в канале разряда или путем “прямого” перерасчета энергии ЭВ в энергию взрыва ВВ (для использования опыта взрывного дела), реального успеха не имели. При сходстве общего характера волновых картин, установить количественное соотношение между взрывом ВВ и ЭВ не удалось, ошибка достигает 30…35%.

Рис. 3. – Амплитуды возмущающего давления последовательных ЭВ

В тоже время, из теории камуфлетных взрывов известно, что радиусы получаемых КП и ЗУ вокруг них, кратны радиусам зарядов ВВ в тротиловом эквиваленте, то есть отвечают принципам теории геометрического подобия, не зависят от масштаба взрыва и глубины размещения заряда, а зависят только от характеристик грунта. Учитывая близкий характер динамического воздействия ЭВ и взрыва заряда ВВ, а также отсутствие у ЭВ массы и радиуса заряда, высказали гипотезу, что радиус ЗУ для каждого вида грунта пропорционален размерам КП. Другими словами, зная объем КП можно определить размеры ЗУ.

) в устье скважины (см. рис. 5в). Объем каждой КП, а также суммарный объем условной камуфлетной полости (УКП), не сложно вычислить. Допуская, что УКП имеет форму шара, искомое выражение для определения ее радиуса за серию из N ЭВ, начиная с первого, может быть представлено в

- радиус штанги с электродами.

Радиус сферического КУ сваи-РИТ, увеличивающегося с каждым последующим ЭВ, можно вычислять по формуле

равным диаметру забивной сваи

то, вокруг КУ сваи-РИТ, полученного серией ЭВ, сформируются зоны, в которых НДС грунта, с приемлемой для инженерной практики точностью, будет конгруэнтно НДС грунта у нижнего конца забивной сваи, условно погруженной в этот же грунт до центра УКП.

, можно использовать расчетные сопротивления грунта R, рекомендуемые для забивных свай (например по табл. 7.1 СП 50-102-2003 или табл. 1 СНиП 2.02.01-85).

Третья глава посвящена изучению влияния РИО на уплотнение грунтов и увязке РИО с результатами испытаний свай-РИТ вдавливающей нагрузкой.

Исследования выполнялась численным моделированием (с помощью программного комплекса Plaxis v8.2) и в натурных условиях (на реальных строительных объектах) (рис. 4). Сопоставляли результаты испытаний вдавливающей нагрузкой свай, изготовленных с различными параметрами РИО. Влияние РИО на уплотнение грунта изучалось методом динамического зондирования и отбором проб из выработок вокруг свай-РИТ с последующими лабораторными исследованиями этих проб.

Выявлено, что даже в результате РИО всего по 5 ЭВ на каждом уровне, происходит некоторое увеличение плотности, прочности и уменьшение деформируемости маловлажных песков средней плотности и рыхлых. Рыхлые пески уплотнились до средней плотности сложения. При этом песок между сваями-РИТ, изготовленными в качестве ограждения котлована, был устойчив и не требовал крепления. Стенки котлована на удалении (где исключалось влияние РИО), между элементами крепления были неустойчивы, осыпались.

По результатам зондирования и исследования свойств околосвайного грунта, также установлено его уплотнение вокруг КУ. Динамическое сопротивление зонду увеличивалось в 2…4 раза (на расстоянии до 0,5м). Графическое сравнение плотности грунта ( ((d) до и после РИО (рис. 4в, г), свидетельствует, что вокруг КУ образуются ЗУ и зоны, в которых изменяется исходное НДС грунта, способствующее увеличению НС свай-РИТ.

Численное моделирование (рис. 4б) и натурные испытания свай, изготовленных с различными параметрами РИО, показали существенное влияние на характер кривых s=f(P) количества и размеров КУ (рис. 4а). В зависимости от характера воздействия РИО (в большей или меньшей степени) можно увеличить НС буровой сваи в 2…3 и более раз. Так, НС натурных 5-ти метровых свай-РИТ буровым (=180мм оказалась 1,4…3,9 раза выше буровой, 2-х метровых – в 3,5…5,6 раза. Управляя РИО можно обеспечить требуемую НС сваи-РИТ по грунту. В данной серии исследований количественная оценка изменения НДС грунтов не проводилась.

Рис. 4. Изучение влияния РИО на уплотнение грунта и увязка РИО с результатами испытаний свай вдавливающей нагрузкой. а) – Влияние геометрической формы сваи l=15м, (=300мм на ее НС, в виде зависимостей осадка-нагрузка s=f(P) (Plaxis). б) – Слайд численного моделирования с помощью программы Plaxis в осесимметричной постановке. в) – Плотность скелета грунта до и после РИО. г) – Изменение плотности грунта с удалением от сваи-РИТ.

В четвертой главе для подтверждения высказанных гипотез и предположений выполнены экспериментальные исследования в специально оборудованном лотке (рис.5). Изучалось влияние РИО (при изготовлении свай-РИТ) на изменение НДС и основных физико-механических характеристик маловлажных песков, средней крупности и пылеватого (зерновой состав приведен в табл. 1.), рыхлых и средней плотности сложения (е0 = 0,61…0,81). В главе приводятся результаты анализа экспериментов, в том числе выявленные закономерности и полученные зависимости.

Таблица 1. Гранулометрический состав исследованных песков.

Рис. 5. Исследование закономерностей изменения НДС маловлажного песчаного грунта при изготовлении свай-РИТ в зависимости от энергии и числа ЭВ.

а) – Принципиальная схема экспериментального лотка с начальным расположением реперов и датчиков. б) – Сечение лотка 1-1. в) – Схема образования КП и КУ сваи-РИТ.

1 - стационарное ж/б кольцо; 2 - съемные ж/б кольца; 3 - песок; 4 - система реперов; 5 – датчики смещений грунта; 6 – датчики напряжений; 7 – обсадная труба (110х5мм; 8 –бетонная смесь В25, подвижностью П-5; 9 – штанга с электродами; 10 - ГИТ; 11 – коаксиальный кабель; 12 – граница КУ сваи-РИТ после серии ЭВ; 13 – граница скважины; 14 – граница КП одиночного ЭВ.

), накапливаемой в ГИТ – 3,6; 10,8 и 21,7кДж (при U0=const).

!укладывали послойно с уплотнением. На уровнях и расстояниях, заданных планом эксперимента (рис. 5а и 5б), закладывали реперы -4, датчики радиальных перемещений -5 и тензорезисторные преобразователи давления конструкции ЦНИИСК (тип М-70) -6. После заполнения лотка песком в обсадную трубу -7 подавали бетонную смесь подвижностью П-5, трубу извлекали на 30…35см, и на уровень №”0” погружали электроды, смонтированные на штанге -9, соединенные с ГИТ -10 коаксиальным кабелем -11. Далее осуществляли до 90 ЭВ. В процессе РИО фиксировали: - в обсадной трубе уровни бетонной смеси, расходуемой на заполнение КП; - положения штоков датчиков перемещений -5; - показания датчиков напряжений -6. По окончании РИО показания последних продолжали снимать до условной стабилизации напряжений.

Песок из лотка удаляли послойно с фиксацией остаточных деформаций грунта по положениям реперов -4 в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Исследовали физико-механические характеристики проб грунта. У откопанных свай-РИТ измеряли КУ (рис. 6) и сопоставляли с рассчитанными (по формуле 2). Отклонения в объемах не превышали 5%.

а) б) в) г) д)

Рис. 6. Уширения свай-РИТ в маловлажном песчаном грунте средней

а), б) и в) – в песке рыхлом, w = 4 – 6%, соответственно W0=3,6; 10,8 и 21,7кДж. г) и д) – в песке средней плотности сложения, W0=10,8 кДж, соответственно w = 4 – 6% и 8-10%.

(после N ЭВ), что позволило получить значения, отвечающие принципу подобия. Рассеянное семейство кривых (рис. 7а) представленное на рис. 7б в радиусах УКП – сливается. Подобная картина наблюдалась во всех опытах.

Перемещения штоков датчиков -5, показали нелинейную картину накопления необратимых деформаций в песке с увеличением числа ЭВ (рис.7в). Приращения уменьшаются с каждым ЭВ. Затухающий характер развития деформаций разноудаленных точек - идентичен. Наибольшая интенсивность роста КУ сваи-РИТ (кривая Rush) и остаточных деформаций в ближней к источнику ЭВ зоне грунта наблюдалась за первые 25-30 ЭВ, достигая 65-70% от общего значения деформации за весь опыт. После 60-70 ЭВ перемещения штоков от единичного импульса были соизмеримы с погрешностями измерений, однако полного прекращения перемещений зафиксировано не было даже при 90 ЭВ. Кроме того, наблюдаемая в начале каждого опыта большая разница показаний разноудаленных датчиков, постепенно выравнивалась.

Рис. 7. Деформируемость маловлажного песчаного грунта при изготовлении

Кривые, отражающие накопление остаточных деформаций (рис. 7в), с достаточной для расчетов точностью описываются функцией вида

где ur,N – радиальное перемещение грунта; u0 и ? – параметры, зависящие от вида грунта, начального положения рассматриваемой точки до очага ЭВ и накапливаемой энергии; N – число ЭВ; е – основание натурального логарифма.

Конечные радиальные перемещения реперов относительно источника возмущений убывают по гиперболической зависимости (рис. 7г). Сближение кривых указывает на то, что уплотнение грунта происходит с симметрией близкой к сферической.

) – становятся весьма значительными. В опытах, соотношение размеров этих областей не зависело от параметров (W0, U, C, индуктивности цепи и др.) и количества ЭВ.

загрузка...