Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Недостатком такого способа расчета является отсутствие учета влияния армированного грунта на изменение контура призмы обрушения. Данный способ больше подходит для расчета анкерных систем.

Рядом авторов при расчете прочности армогрунтового массива используется метод конечных элементов, с помощью которого, варьируя длинами

ижесткостями нагельных стержней, можно подобрать оптимальные параметры ограждения.

Все указанные работы выполнены исходя из условия расположения прямолинейного (нормального к поверхности откоса) расположения стержней в горизонтальной плоскости. Сотрудниками НИЛ «Геология, основания

ифундаменты» СГУПС предложена и апробирована иная схема, при которой забивка нагельных стержней происходит под углом от 15˚ до 30˚ в горизонтальной плоскости откоса, а сами нагели располагаются в шахматном порядке по глубине котлована (рис. 5) [8].

Рис. 5. Схема расположения нагелей в грунтовом массиве в горизонтальной плоскости (а, б) и по глубине котлована (в, г): а, в – рекомендуемая в [1]; б, г – предложенная сотрудниками НИЛ «Геология» СГУПС [8]

Очевидно, что система перекрестных нагелей, в совокупности с шахматным расположением их по глубине котлована, приводит к повышению армирующего эффекта нагельной крепи и усложняет процесс работы нагельной системы. Отсутствие теоретического обоснования параметров предложенной конструкции крепи существенно осложняет процесс ее проектирования и прогноз поведения укрепляемого грунтового массива.

Улучшить работу нагельного крепления также можно путем создания трапецеидального контура армогрунтовой стены, при котором ее наклонная задняя грань воспринимает вертикальное удерживающее давление грунта.

Из всего описанного выше видно, что в настоящее время в существующей нормативной литературе ощущается недостаточная разработанность инженерных способов расчета параметров нагельной крепи.

В качестве защитного покрытия нагельной крепи в [1-5] рекомендуется применение монолитного набрызг-бетона (по арматурной сетке) или сборного железобетонного покрытия. Однако опыт использования нагельных конструкций показал, что для временного покрытия откосов котлованов, в не зависимости от их глубины, достаточным является применение инвентарных деревянных щитов толщиной до 50 мм, стоимость которых в разы ниже на- брызг-бетонных покрытий. Верхняя и нижняя половины щитов сбивается гвоздями со смещением, что обеспечивает перекрытие их друг с другом

431

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

и сплошность всей конструкции покрытия. К недостаткам такого типа покрытия можно отнести необходимость демонтажа щитов при проведении обратной засыпки пазух котлована для того, чтобы исключить возможность гниения древесины и последующего образования пустот в грунте.

Надежность применения нагельного ограждения котлованов подтверждена масштабным его использованием на ряде объектов гражданского и транспортного строительства в г. Новосибирске. Укреплению подвергались котлованы высотой от 4,5 до 12,5 м, борта которых зачастую были сложены пылеватыми супесями и суглинками от твердой до тугопластичной консистенции. Расчеты параметров ограждения, выполненные по приведенным выше методикам показали, что практически на всех объектах оптимальный шаг нагелей в горизонтальном и вертикальном направлениях составляет 0,75 м. В качестве армирующих элементов при глубине котлована до 7 м достаточно применения трубы Ø20 2,8 мм (условный проход) по ГОСТ 3262–75*, обладающей, в сравнении с арматурными стержнями, меньшей стоимостью. При большей глубине котлована рекомендуется применение труб большего диаметра. Максимальным диаметром при этом, по условию производства строи- тельно-монтажных работ непосредственной забивкой стержней пневмоударными молотками и ПУМами (без применения специальных устройств для бурения скважин и последующего заполнения их раствором), считается труба Ø50x3,0 мм (условный проход). Выполненные расчеты также показали, что длина нагельных элементов в указанных грунтовых условиях, в среднем, равняется глубине котлована. Общий вид ограждения котлована и пример крепления деревянного щита покрытия к нагелю при помощи металлической пластины представлен на рис. 6.

Рис. 6. Общий вид ограждения котлована (а) и пример крепления щита покрытия к нагелю (б)

При выполнении строительно-монтажных работ по сооружению нагельной крепи в строгом порядке необходимо соблюдать прописанную в проекте производства работ технологию, в которой должен быть указан

432

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

размер единичной захватки по ширине и глубине котлована, а также толщина грунтового слоя борта, доработка которого производится вручную после забивки нагеля. Соблюдение технологии необходимо для того, чтобы избежать потери местной и общей устойчивости откосов, спровоцированной вскрытием больших по длине и глубине захваток. Это особенно актуально для строительных площадок, на которых разработка котлована и сооружение нагельной крепи производятся различными подрядными организации. Примером такой несогласованной работы может служить строительство жилого дома по ул. Демьяна Бедного в г. Новосибирске: в процессе ночной разработки котлована у расположенного на бровке здания склада, без укрепления была вскрыта значительная часть борта котлована, что спровоцировало локальный вывал большого объема грунта из-под указанного здания (рис. 7).

Рис. 7. Локальный вывал грунта из-под здания склада при несоблюдении технологии производства работ по нагельному креплению бортов котлована

Обрушение здания в котлован не произошло лишь благодаря тому, что ранее под ним уже было выполнено несколько ярусов перекрестнорасположенных нагелей.

В заключение можно сказать, что нагельное крепление крутонаклонных и вертикальных откосов котлованов является достаточно простым, надежным и обладает низкой стоимостью по сравнению с другими способами крепления, однако требует строгого соблюдения технологии производства строительно-монтажных работ и согласованной работы подрядчиков. В то же время в существующих нормативных документах практически не регламентируются способы расчета и подбора параметров такого типа крепления.

Литература

1. СТО НОСТРОЙ 109-2013 Устройство грунтовых анкеров, нагелей и микросвай. Правила и контроль выполнения, требования к результатам работ. – М.: Филиал ОАО ЦНИИС Научно-исследовательский центр «Тоннели и метрополитены», 2013. – 215 с.

433

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

1.Shiu, Y.K., Chang, G.W.K. Effects of inclination, length pattern and bending stiffness of soil nails on behavior of nailed structures / Y.K. Shiu, G.W.K. Chang // Hong Kong: Geotechnical Engineering Office, Civil Engineering and Development Department, Civil Engineering and Development Building, 101 Princess Margaret Road, Homantin, Kowloon, 2005. – 118 р.

2.Lazarte, C.A. Proposed Specifications for LRFD Soil-Nailing Design and Construction / C.A. Lazarte // NCHRP REPORT 701. – Transportation research board: Washington, D.C., 2011. – 145 р.

3.СТП 013-2001 Нагельное крепление котлованов и откосов в транспортном строительстве. – М.: «ТРАНССТРОЙ», 2001. – 34 с.

4. СТО-ГК «Трансстрой»-013-2007 Нагельное крепление котлованов и откосов

втранспортном строительстве. – М.: «ТРАНССТРОЙ», 2007. – 34 с.

5.Савельев, Ю.Н. Облегченная стержневая крепь при строительстве тоннельных сооружений Новосибирского метрополитена: дис. … канд. техн. наук: 05.23.11 / Савельев Юрий Николаевич. Новосибирск: СГУПС, 2002. – 155 с.

6.Кесарев, М.С., Немцев, Д.А. Приближенный метод расчета нагельного крепления / М.С. Кесарев, Д.А. Немцев // Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты. – Новосибирск: СГУПС, – 2007. – С. 140-144.

7.Патент RU 2012112721. Способ укрепления откосов земляного полотна. / СГУПС; авт. Ланис А.Л., Овчинников С.А., Скоркин В.Ф. – Заявл. 02.04.2012. Решение о выдаче патента 26.09.2013.

УДК 624.131

А.Г. Полянкин (СГУПС, г. Новосибирск)

ПРЕДЕЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ МЕДЛЕННО УПЛОТНЯЮЩИХСЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ НА ОГРАЖДЕНИЯ И НАЧАЛЬНАЯ НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СВАИ НА ГОРИЗОНТАЛЬНУЮ И МОМЕНТНУЮ НАГРУЗКИ

Как известно, при водонасыщении грунта не только происходит снижение его прочностных характеристик, но и имеет место передача части внешнего давления на воду, которая, в частности, не воспринимает касательных напряжений. Условие прочности водонасыщенного грунта в полных напряжениях имеет вид [3]:

где 1 3)/2, 1 3)/2 полуразность и полусумма полных главных напряжений, и k – параметры мгновенной прочности водонасыщенного грунта, которые при отсутствии в основании остаточного порового давления к моменту нагружения предельной нагрузкой определяются зависимостями:

sin (1 )sin , k cos 0 sin ccos .

Здесь принято: и c – параметры прочности водонасыщенного грунта, определяемые в консолидированно-дренированных испытаниях, коэффициент мгновенного порового давления, равный отношению избыточного по-

434

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

рового давления u и полного среднего напряжения ( u/ , u); 0 среднее эффективное напряжение, достигнутое в точке грунта к моменту его догружения до предельного состояния; среднее эффективное напряжение, достигаемое в точке грунта в результате его нагружения предельным давлением (т.е. действующее непосредственно в предельном состоянии).

Оценивать прочность водонасыщенного грунта, непосредственно окружающего сваю, здесь предлагается по той же методике, что и заложена в СП [4], т.е. как разность пассивного p и активного a давлений:

Найдем величины активного и пассивного давлений для этого случая. Запишем закон прочности (1) в виде:

1 3 ( 1 3 )(1 )sin 2 0 sin 2ccos .

Определим эффективные напряжения, действующие к моменту догружения основания до предельного состояния, бытовыми гидростатическими напряжениями:

где индекс «g» традиционно указывает на бытовое напряженное состояние, fn – некоторая равномерно распределенная нагрузка на поверхности грунта.

Принятое допущение о гидростатическом характере бытовых напряжений объясняется тем, что подобный подход довольно часто встречается в геотехнических задачах – например, при определении первой критической нагрузки на горизонтальное основание (известная задача проф. Н.П. Пузыревского и основанное на ней понятие расчетного сопротивления основания ленточных фундаментов), а также в некоторых расчетах методом конечных элементов.

Следуя классической схеме [2], имеем для активного давления (рис. 1, а):

z p a ( z p a )(1 )sin 2 ( z p)sin 2c cos .

Следуяклассическойсхемедляпассивногодавления[2], имеем(рис. 1, б):

p ( z q) ( p z q)(1 )sin 2 z sin 2 qsin 2ccos .

Тогда, принимая во внимание, что при расчете прочности грунта, окружающего сваю по нормативной методике p 0 и q 0, разность пассивного и активного давлений составит:

435

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 1. Схемы к определению активного (а) и пассивного (б) давлений водонасыщенного грунта

Окончательно условие прочности водонасыщенного грунта, окружающего сваю, примет вид:

Далее задача о несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки решается вполне аналогично тому, как это было рассмотрено, например, в работе [1]. Кратко приведем здесь лишь самые основные положения этой методики.

Боковое давление сваи на грунт на некоторой глубине z дается известной формулой:

где u0, 0, M0, H0 горизонтальное смещение, угол поворота сечения, момент и поперечная сила в свае в уровне поверхности грунта; A1, B1, C1, D1 функции относительной глубины рассматриваемой точки z z .

Коэффициент деформации сваи дается формулой:

436

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

5 Kbp ,

EJ

где bp расчетная ширина сваи; EI изгибная жесткость поперечного сечения сваи (E модуль упругости материала сваи, I центральный момент инерции поперечного сечения сваи).

Величины u0, 0 в свою очередь связаны с силовыми воздействиями H0 и M0 соотношениями

u0 HH H0 HM M0 ,

0 MH H0 MM M 0 .

Коэффициенты A0, B0, C0 определяются в зависимости от условий закрепления нижнего конца сваи (висячая свая, опирание на скалу, заделка в скалу) и относительной глубины погружения сваи в грунт l l [1, 4].

Приравнивая выражения (4) и (2) и выполнив необходимые преобразования, можно записать следующее равенство [1]:

или, введя соответствующие обозначения:

H0 H M 0 M ,

где

Тогда, при одновременном действии горизонтальной силы и момента будут справедливы следующие выражения для несущей способности сваи на горизонтальную и моментную нагрузки:

при M0 const 0:

при H0 const 0:

437

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Абсолютные значения несущей способности на горизонтальные силовые воздействия в любом случае определяются формулами:

Можно утверждать, что если к свае, на которую действует некоторая горизонтальная сила H0, приложить момент M0 Fdm, то указанная сила H0 также должна рассматриваться как несущая способность Fdh H0. И, обратно, при действующем моменте M0, действие предельной силы H0 Fdh позволяет принять равенство M0 Fdm.

Указанная методика определения несущей способности свай на горизонтальную и моментную нагрузки для грунтов в стабилизированном состоянии, как уже говорилось, была детально исследована нами ранее [1] и кратко изложена выше для того, чтобы на ее основе перейти к методу расчета несущей способности в водонасыщенных грунтах.

Итак, возвращаясь к случаю сваи в водонасыщенном грунте, учитывая, что поскольку решения (2) и (3) отличаются лишь независящем от координа-

По аналогии с [2] величины Fdh,sat и Fdm,sat будем называть начальной или минимальной несущей способностью сваи на горизонтальную и момент-

ную нагрузки в водонасыщенных грунтах.

Введение терминов «начальная» и «минимальная» обусловлено тем, что данная несущая способность достигается в наиболее неблагоприятных условиях, т.е. когда в водонасыщенном основании к моменту его нагружения действуют только бытовые напряжения. Непосредственно из анализа условия прочности (1) следует, что в этом случае прочность водонасыщенного грунта будет минимальной. Если дополнительно перед испытанием сваи пригрузить

основание, то это увеличит значение 0 , и, следовательно, увеличит значение мгновенного удельного сцепления водонасыщенного грунта k.

На рис. 2 показаны графики зависимости ( ) для разных значений коэффициента мгновенного порового давления , а на рис. 3 даны графики ( ) для разных .

438

Из приведенных графиков видно, что коэффициент в целом незначительно снижает несущую способность, однако, достаточно для того, чтобы его учитывать в практических расчетах.

439

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Наибольшее снижение несущей способности свай – в 2 раза – достигается при 1 и 45 , когда понижающий коэффициент 0,5. С практической точки зрения это маловероятная ситуация, поскольку грунт с таким углом внутреннего трения – это в редком случае гравелистый песок, а, как правило, это – дресва, гравий, галечник или щебень. В данных грунтах процессы консолидации протекают очень быстро, и не оказывают скольконибудь ощутимого влияния на напряженно-деформированное состояние грунта. Хотя для транспортных сооружений, например, опор мостов, где нагружение осуществляется быстро ввиду характера самой подвижной нагрузки, такая ситуация, на наш взгляд, не должна полностью исключаться из рассмотрения.

Более часто встречающийся на практике случай – это углы внутреннего

трения 15…25 . В таких грунтовых условиях несущая способность сваи будет снижаться на величины от 5 до 20%.

Другой аспект предлагаемого решения заключается в том, что изначальная формулировка условия прочности грунта, окружающего сваю, как разность пассивного и активного давлений не всеми специалистами воспринимается безоговорочно, и хотя данный расчет вошел в практику проектирования оснований и геотехнических расчетов, вопросы к нему со стороны специалистов остаются. Следовательно, в принципе возможна ситуация, при которой снижение прочности водонасыщенного грунта может оказаться даже более значительным, чем это можно ожидать, исходя из приводимых оценочных расчетов. Вместе с тем, следует помнить, что используемый подход

( x u = p a) приводит нас не к полной потере устойчивости грунта, а, скорее, к аналогу первой критической нагрузки, что обеспечивает общий, вполне приемлемый запас прочности.

Таким образом, при проектировании свайных фундаментов в водонасыщенных медленно уплотняющихся грунтах следует учитывать возможность наступления нестабилизированного состояния грунта, окружающего сваю.

Литература

1.Королев К.В., Полянкин А.Г., Кузнецов А.А. Несущая способность свай на гори-

зонтальную и моментную нагрузку и оптимальное проектирование свайных фундаментов

//«Транспортное строительство», №3, 2013, С.13-15.

2.Королев К.В. Плоская задача теории предельного равновесия грунтов. Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2010. 251 с.

3.Соловьев Ю.И. Жестко- и упругопластический анализ устойчивости и напря- женно-деформированного состояния грунтов. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1989. 42 с.

4.СП 22.13330.2011. Основания здания и сооружений. Актуализированная редак-

ция СНиП 2.02.01-83*. М., 2011. 162 с.

440