Зоценко Н.Л. Инженерная геология. Механика грунтов, основания и фундаменты

Подождите немного. Документ загружается.

380

Таблиця 14.2. Пневмопробійники для влаштування і реконструкції основ та фундамен-

тів

Показники

Тип машини

ИП4605А

СО-134

Енергія одиничного удару, Дж

100

240

500

Частота ударів, Гц

5,4

6,3

4,2

Витрати стиснутого повітря, м

/хв

4,0

5,0

8,0

Діаметр, мм

130

155

Довжина, мм

1500

1400

1750

Маса, кг

135

Подаванням стислого повітря крізь шланг і патрубок від компресора пне-

вмопробійнику надається робочий хід (на рис. 14.18 умовно не показано комп-

ресор та шланг). Пневмопробійник занурюється в ґрунт у напрямку, який було

задано стартовим пристроєм. При цьому за рахунок ущільнення і часткового

випинання ґрунту утворюється свердловина діаметром рівним діаметру пнев-

мопробійника (рис. 14.18, б). Стійкість стінок свердловини забезпечується у

твердих – тугопластичних глинистих ґрунтах. При досягненні вістрям пневмо-

пробійником проектної позначки за допомогою реверса він переводиться на

зворотний хід і піднімається на поверхню з використанням лебідки стартового

пристрою. Після цього при забезпеченні стійкості стінок свердловини до неї

можна встановити арматурний каркас та заповнити литим бетоном класу В15.

Маємо звичайну набивну палю діаметра 95-155 мм довжиною 2-10 м. За

необхідності довжина палі може бути більшою. Розрахункове навантаження на

Рис. 14.18. Схема влаштування набивних паль за допомогою пневмопробійників:

а – центрування пневмопробійника; б – пробивання свердловини; в –

заповнення

свердловини бетоном; г – улаштування бетонної оболонки; д, е – влаштування розши-

рення; ж – установлення арматурного каркаса; з – готова паля з ростверком; 1 – стар-

товий пристрій; 2 – пневмопробійник; 3 – свердловина; 4 – бетон; 5 – бетонна оболон-

ка; 6 – розширення; 7 – арматурний каркас; 8 – залізобетон; 9 – ростверк.

381

таку палю в указаних раніше ґрунтах складе N = 20-100 кН. Швидкість зану-

рення пневмопробійника 0,1-0,5 м/хв, витягання – 0,3-0,8 м/хв. За робочу зміну

(8 годин) можна зробити 50-80 п.м таких паль.

У м’якопластичних глинистих ґрунтах стійкість стінок свердловини за-

безпечується не завжди. Виникає необхідність їх закріплення. Для цього сверд-

ловину заповнюють жорстким бетоном класу В10,5 і знову проходять її пнев-

мопробійником (рис. 14.18, г). Навколо свердловини у ґрунті утворюється бе-

тонна оболонка товщиною 1-2 см. Вона закріплює стінки свердловини і відпо-

відно збільшує загальний діаметр палі. Цю процедуру можна повторювати кі-

лька разів, при цьому збільшується діаметр палі та її розрахункове навантажен-

ня. Влаштування бетонної оболонки з метою збільшення несучої здатності палі

можливо й у твердих – тугопластичних глинистих ґрунтах. Після того, як обо-

лонка сформована, у свердловину вставляють арматурний каркас і заповнюють

литим бетоном. У текучопластичних глинистих ґрунтах вище від рівня ґрунто-

вих вод бетонну оболонку навкруги свердловини можна робити ділянками за

довжиною по ходу пробивання свердловини. Довжина ділянки дорівнює дов-

жині пневмопробійника і менше. Наявність бетонної оболонки збільшує розра-

хункове навантаження на палю на 10-20% за рахунок кожного шару бетону.

Збільшити несучу здатність набивної палі можливо за допомогою влаш-

тування розширення. На рис. 14.18, д, е показана схема влаштування розши-

рення у нижній частині свердловини. Для цього у свердловину порціями по

0,005-0,015 м

подається жорсткий бетон класу В10,5 чи гранітний щебінь

фракції 10…20 мм. Порція втрамбовується одним проходом пневмопробійника.

При втрамбовуванні 8 порцій жорсткого бетону (щебеню) діаметр розширення

складе 2-2,5 діаметра свердловини. Розрахункове навантаження на такі палі в

залежно від стану ґрунту може скласти N=100-500 кН, що перевершує, навіть,

несучу здатність такої палі за матеріалом. Схема постановки арматурного кар-

каса показана на рис. 14.18, ж. Готовий фундамент із набивними палями пока-

заний на рис. 14.18, з.

Спосіб пробивання свердловин використовується і для встановлення в

них збірних фундаментів. На рис. 14.19 показано процес улаштування опори

ЛЕП із конічною фундаментною частиною. Попередньо за допомогою метале-

вого лідера вібровиштамповують свердловину розмірами, що відповідають ро-

змірам фундаментної частини опори. Занурення лідера в ґрунт здійснюють віб-

розанурювачем, який з’єднаний із конічним захватом. Для зменшення вібрацій-

них впливів на стрілу крана при вилученні лідера між крюком крана і віброза-

нурювачем підвищують амортизатор із пружин.

Стінки свердловини закріплюють додатковим уштамповуванням: у гли-

нистих водонасичених ґрунтах – щебеню, а в пісках – глини. Опори в свердло-

вини встановлюють краном за допомогою гнучких стропів, які дозволяють під-

няти опору у вертикальне положення. Закріплення опори в свердловині відбу-

вається одночасно з її вивірянням. Такий спосіб закладання опори в ґрунт дає

змогу збільшити її опір по ґрунту на сумісну дію вертикальних і горизонталь-

них навантажень у 1,3 разу порівняно з опорами, закріпленими в пробуреній

свердловині. Опори контактної мережі з конічною опорною частиною викорис-

382

Рис. 14.19. Послідовність улаштування опор ЛЕП із конічною фундаментною частиною:

а – вібровиштамповування свердловини; б, в – подання щебеню, що вштамповується в стінки свердловини; г – установка опори; д –

опора в експлуатаційному положенні; 1 – базова машина; 2 – лідер; 3 – віброзанурювач; 4 – екскаватор; 5 – лотік; 6 –

щебінь (глина);

7 – монтажний кран; 8 – готова свердловина; 9 – опора

383

тані при електрифікації Південно-Західної залізниці.

Для влаштування набивних паль може бути використано й розроблений

спеціалістами Придніпровської ДАБА метод гвинтового продавлювання сверд-

ловин спіралеподібними снарядами (рис. 14.20). За допомогою приводу здійс-

нюється обертання снаряда. Одночасно з обертанням на снаряд передається

осьове зусилля, яке здійснюється вагою снаряду, бурової колони, приводу, а та-

кож привантаженням чи зусиллям, що утворюється натягненням канату спеціа-

льною лебідкою. При зануренні снаряда ґрунт витискується в боки за рахунок

спеціальної геометрії снаряда. Бетонування паль здійснюють за технологією

виготовлення паль сухим способом. У слабких ґрунтах несучу здатність паль

можна підвищити шляхом багаторазової прохідки і заповнення свердловини

ґрунтом чи іншим матеріалом (цементно-піщана суміш, розчин, пісок). На

останньому етапі свердловину заповнюють бетонною сумішшю з ущільненням.

Перед бетонуванням у свердловину встановлюють арматурний каркас.

Для занурення спіралеподібних снарядів використовують бурові установ-

ки з обертальним приводом БУК-600, СО-2 тощо. Швидкість проходження све-

III

VII

Рис. 14.20. Технологічна схема влаштування набивних паль методом гвинтового прода-

влювання: I – проходження свердловини спіралеподібним снарядом; II – установка ар-

матурного каркаса; III – бетонування палі; IV – готова паля при одноразовому прохо-

дженні свердловини; V – заповнення свердловини ґрунтом або цементно-піщаним роз-

чином; VI – повторна проходка свердловини; VII – готова паля при дворазовому прохо-

дженні свердловини; 1 – спіралеподібний снаряд; 2 – зона ущільнення ґрунту при одно-

разовому проходженні свердловини; 3 – штанга; 4 – бурова установка; 5 –

обертальний

привід; 6 – свердловина; 7 – арматурний каркас; 8 – кран; 9 –

приймальна воронка;

10 –баддя; 11 – свердловина, заповнена матеріалом ущільнення; 12 –

грейферний ківш;

13 – зона ущільнення ґрунту при дворазовому проходженні свердловини

384

рдловин у глинистих ґрунтах з

>0,2 складає 0,5-1,3 м/хв при осьовому зусил-

лі 30 кН. Із підвищенням значення показника текучості ґрунту швидкість про-

ходження суттєво зростає. Несуча здатність таких паль у 2-2,8 разу вища від

буронабивних паль тих же розмірів. Близький до методу гвинтового і спосіб

улаштування паль розкочуванням свердловин.

14.3. ВИЗНАЧЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ ПАЛЬ І ФУНДАМЕНТІВ

У сучасній практиці проектування фундаментів їх несучу здатність ви-

значають різними способами залежно від стадії розроблення проекту. У почат-

ковій стадії проектування несучу здатність фундаментів визначають за фізико-

механічними характеристиками ґрунтів розрахунковим методом. При прове-

денні польових дослідних робіт на стадії розроблення робочого проекту вико-

ристовують методи зондування та статичних випробувань пробних паль і фун-

даментів. У процесі занурювання паль при будівництві використовують метод

динамічних випробувань.

Розрахунковий метод оснований на застосуванні формули (12.4), яка ви-

значає складові загальної несучої здатності фундаменту, виготовленого без ви-

ймання ґрунту, за рахунок опору підошви фундаменту, опору тертя за бічною

поверхнею та розпору ґрунту похилими гранями фундаменту. Для деяких видів

фундаментів залежно від конструктивних особливостей, а також від інженерно-

геологічних умов будівельного майданчика складові формули (12.4) втрачають

своє практичне значення. Так, для паль із вертикальними гранями (i=0) форму-

ла (12.4) набуває вигляду

∑

)hfuRA(F

iicfcRcd

γγγ

. (14.1)

Якщо в основі палі (фундаменту) залягають ґрунти високої несучої здат-

ності, які практично не деформуються, її несуча здатність визначається в осно-

вному першим членом і має вигляд

RAF

cRcd

γγ

. (14.2)

Іноді такі палі називають палями-стояками.

Існують численні формули для визначення несучої здатності фундаментів

різних форм. Однак при уважному аналізі їх можна звести до загального вигля-

ду (12.4). Відмінність полягає лише в підході до визначення характеристик R, f,

E та в урахуванні геометричних особливостей фундаменту і способу його вла-

штування. Так, для паль із розширенням (A – площа поперечного перерізу роз-

ширення), якщо воно утворене втрамбовуванням жорсткого матеріалу, –

=1,2, вибурюванням –

=0,8, камуфлетним вибухом –

=1,3.

При визначенні розрахункового опору основи R залежно від глибини за-

кладання фундаменту приймають відповідну розрахункову схему руйнування

ґрунту (див. розділ 8). Для глибоких фундаментів і паль величину R відповідно

до норм приймають за таблицями експериментальних значень; величину f та-

кож визначають за аналогічними таблицями.

Несучу здатність фундаментів і паль визначають за результатами зон-

дування, застосовуючи різні схеми його проведення. Існують такі способи зон-

385

дування: динамічне, конусами-зондами, зондами з фіксованою муфтою тертя,

великомасштабними палями-зондами тощо (див. розділ 5). Нижче розглянемо

метод визначення несучої здатності забивних призматичних паль за результа-

тами статичного зондування розширеним конічним наконечником. Методику

проведення зондування розглянуто у розділі 5. Опір ґрунту є узагальненою ха-

рактеристикою механічних властивостей ґрунтів. Залежність між цією величи-

ною і розрахунковим опором ґрунту у вістрі палі R представляють як

qR λ

, (14.3)

де λ – перехідний коефіцієнт;

– опір ґрунту конуса.

Згідно з дослідженнями, величина λ коливається в досить широких межах

і залежить від численних факторів, зокрема від виду ґрунту, його стану, пара-

метрів зондувальної установки, способу занурювання (влаштування) паль тощо.

Формулу для визначення поодинокого значення граничного опору палі-стояка

за даними статичного зондування можна представити у вигляді

λAqF

, (14.4)

де

– опір ґрунту конуса в площині вістря палі, що визначається за графіком

зондування як середня величина в інтервалі, розташованому на один діаметр

палі вище і чотири діаметри нижче від позначки вістря палі; A – площа попере-

чного перерізу палі (розширення фундаменту).

Розрахунковий опір ґрунту за бічною поверхнею забивних паль f, як і ро-

зрахунковий опір ґрунту під нижніми кінцями R, є узагальненою характеристи-

кою механічних властивостей ґрунту, й між ними існує однозначна залежність.

Згідно зі СНиП 2.02.03-85 “Свайные фундаменты”, для пісків та глинистих ґру-

нтів ця залежність має вигляд

R,f

011706 +=

, (14.5)

при числі парних значень n=100 коефіцієнт лінійної кореляції r=0,98, середнє

квадратичне відхилення ±σ=±3 кПа. Це свідчить про тісний лінійний зв’язок,

близький до функціонального. Таким чином, за відомим значенням R за допо-

могою залежності (14.5) можна визначити f.

На підставі виразу (12.4) з урахуванням залежностей (14.3) і (14.5) фор-

мулу для визначення поодинокого значення граничного опору фундаментів, які

виготовляють без виймання ґрунту, за результатами статичного зондування ро-

зширеним наконечником можна представити у вигляді

iisi

sisu

huhqu,AqF θθλλθ

∑∑

++=

601170

, (14.6)

де

та

– коефіцієнти, що враховують характер деформацій в основі фунда-

ментів, значення яких для різних видів фундаментів установлені за статистич-

ним аналізом результатів їх статичних випробувань та зондування ґрунту; зок-

рема для забивних призматичних паль

дорівнюють одиниці, для фунда-

ментів у пробитих свердловинах

=0,1…0,25, а

=0,7…1,0 залежно від зна-

чення

; u – периметр поперечного перерізу палі, м; λ – перехідний коефіцієнт

для кожного шару ґрунту в межах довжини палі;

– опір кожного шару ґрун-

386

ту в межах довжини палі, кПа; n – кількість несучих шарів ґрунту в межах дов-

жини палі.

На рис. 14.21 наведені графіки залежності коефіцієнта λ від значення

типу ґрунту. Графіки встановлені за узагальненими результатами паралельних

випробувань ґрунтів зондуванням та статичних випробувань паль, проведених у

центральній частині України.

Несуча здатність

забивної призматичної палі за даними статичного

зондування дорівнює

∑

, (14.7)

де

– коефіцієнт умов роботи;

=1;

– коефіцієнт надійності; n – число

точок зондування (не менше ніж 5).

Статичні випробування фундаментів проводять із метою визначення їх

несучої здатності в конкретних ґрунтових умовах будівельного майданчика. Ро-

зміри фундаментів для випробувань призначають за даними розрахунків або

зондування. Випробування полягає в ступінчастому завантаженні фундаменту

вертикальним (горизонтальним, моментним) навантаженням і вимірюванні при

цьому відповідної деформації. Кожен ступінь навантаження витримують до

умовної стабілізації деформації фундаменту. Регламент умовної стабілізації

деформації встановлюється стандартами на статичні випробування.

Навантаження фундаментів звичайно проводять одним із двох способів:

безпосереднім навантаженням фундаменту тарованими за масою вантажами

або гідравлічним домкратом з упором у платформу з навантаженням, що пере-

вищує припустиме навантаження на фундамент.

На рис. 14.22 показана платформа, завантажена фундаментними блоками

Рис. 14.22. Загальний вигляд платформи для

навантаження фундаментів гідродомкратом

Рис. 14.21. Криві залежності λ=f(q

1 – суглинки та глини; 2 – супісок; 3 – пісок

2,0

1,6

1,2

0,8

0,4

2,4

387

загальною масою 170 т. Осідання фундаменту вимірюють двома прогиномірами

з точністю до 0,1 мм і для подальшого аналізу приймають середнє значення. На

рис. 14.23 показана схема статичного випробування фундаменту в пробитій

свердловині шляхом навантаження тарованими вантажами.

Результати статичних випробувань фундаментів представляють у вигляді

графіків залежності осідання з часом для кожного ступеня навантаження

(рис. 14.24). За ними можна судити про характер затухання осідання з часом.

Математично описати ці криві можна цілим рядом феноменологічних за-

лежностей (можна згадати п. 9.7), зокрема з використанням рівняння стану, па-

раметри якого отримують шляхом багатофакторного аналізу,

)PP(

expAt

∞

−=

, (14.8)

де γ – деформація (осідання фундаменту); t – час; A – величина деформації за

одиницю часу (t=1); b – показник, що визначає вид функції (14.8); δ – параметр,

що зв’язує термодинамічну енергію та напругу; K – стала Больцмана;

– абсо-

лютна температура (

);

∞

– межа довготривалої міцності (несуча здатність

фундаменту при

∞→

); P – навантаження на фундамент за час t.

Параметрами рівняння, що характеризує НДС у часі, є b, A,

)K( θδ

∞

За даними графіків на рис. 14.24 складають систему рівнянь і визначають рео-

логічні характеристики. Цей підхід дозволяє прогнозувати в часі несучу здат-

ність та деформації фундаментів за результатами їх статичних випробувань.

Згідно зі стандартами, несучу здатність фундаменту за даними статичних

випробувань визначають з урахуванням графіка залежності осідання – наван-

таження (рис. 14.25). При осіданні

Sς∆

, де коефіцієнт

, що враховує мож-

4 4 4

S, см

Рис. 14.24. Криві залежності осідання

фундаменту з часом за даними статичних

випробувань при різних навантаженнях:

1 – 100 кН; 2 – 200 кН; 3 – 300 кН; 4 –

400 кН;

5 – 500 кН; 6 – 600 кН; 7 – 700 кН; 8 – 800 кН

Рис. 14.23. Схема статичного випробу-

вання фундаменту:

1 – фундамент; 2 – вантажна платформа; 3 – стра-

хувальні упори; 4 – таровані вантажі; 5 –

реперна

система; 6 – прогиноміри; 7 – кран

388

ливість збільшення осідання фундаменту при роботі його в кущі, а також у часі;

– граничне осідання для конкретного виду споруди. Залежно від критерію

стабілізації осідання при випробуваннях фундаментів, а також з урахуванням їх

сумісної роботи

може змінюватись від 0,2 до 1.

На рис. 14.26 показано процес випробування опори ЛЕП із конічною фу-

ндаментною частиною на дію моментного навантаження. Це навантаження

створюють за допомогою троса, який закріплюють до двох опор. Трос натягу-

ється гвинтовим пристроєм.

Динамічні методи визначення несучої здатності фундаментів використо-

вуються як спосіб контролю в період будівництва. Вони ґрунтуються на прин-

ципі рівності роботи, що відбувається при ударі молота або трамбівки, і роботи

для подолання опору ґрунту занурюванню фундаменту. Прототипом цих мето-

дів можна вважати формулу М. М. Герсеванова (1917), у якій робота по заби-

ванню палі QH розкладається на три складові: робота на “заглиблення палі” F

; робота, що витрачається на “пружні деформації” Qh; “втрачена робота”

αQH:

QHQhSFQH

++=

, (14.9)

де Q – вага молота (трамбівки); H – висота його (її) скидання при останньому

ударі; h – висота підскакування молота (трамбівки) після вдару; α – коефіцієнт,

котрий визначає частину втраченої енергії (наприклад, на перетворення части-

ни енергії удару в теплову, руйнування голови палі тощо).

Після ряду припущень і перетворень із цього рівняння отримана формула

СНиП 2.02.03-85 для визначення граничного опору палі за результатами її ви-

пробування динамічним навантаженням, яка має вигляд

321

mmm

)mm(m

, (14.10)

Рис. 14.26. Випробування фундаментів на

дію моментного навантаження:

1 – опора; 2 – щогли; 3 – трос; 4 –

тальреп;

5 – динамометр

400

600

800

200

Р, кН

S, см

Рис. 14.25. Криві залежності осідан-

ня від навантаження за даними ста-

тичних випробувань:

1 – завантаження; 2 – розвантаження

389

де η – коефіцієнт, що залежить від гнучкості матеріалу фундаменту; A – площа

поперечного перерізу фундаменту; M – коефіцієнт, що враховує спосіб занурю-

вання (виготовлення) фундаменту;

– розрахункова енергія удару молота

(трамбівки, віброзанурювача);

– відказ фундаменту;

– вага молота (трам-

бівки, віброзанурювача); ε – коефіцієнт поновлення удару;

– вага фундамен-

ту й наголовника;

– вага підбабка.

Відказом називається величина занурювання фундаменту від одного уда-

ру молота. При роботі з віброзанурювачем – це величина занурювання фунда-

менту за одну хвилину його роботи, а при пробиванні свердловини (котловану)

або втрамбовуванні щебеню – величина занурювання трамбівки при її падінні з

фіксованої висоти.

Несучу здатність фундаментів за результатами їх статичних і динамічних

випробувань визначають за формулою

n.u

, (14.11)

де

– коефіцієнт умов роботи;

– коефіцієнт надійності для ґрунту.

Під “відпочинком” фундаментів, які виготовляють без виймання ґрунту,

звичайно розуміють період, що починається з моменту влаштування й характе-

ризується зміною їх несучої здатності. Досвід зведення цих фундаментів і паль

показав, що їх опір у мілких та пилуватих пісках із часом зменшується, в гли-

нистих ґрунтах – зростає й лише в крупних пісках залишається незмінним.

У піщаних ґрунтах при забиванні фундаментів різко зростає їх опір зану-

рюванню, аж до повного їх зупинення. Цей опір створює помилковий відказ.

Через деякий час (3-6 діб) при повторному забиванні виявляється збільшення

відказу порівняно з величиною в кінці забивання фундаменту до “відпочинку”.

У цей період несуча здатність знижується в кілька разів. Якщо не врахувати

явище помилкового відказу при випробуваннях фундаментів, це може призвести

до серйозних ускладнень при будівництві та експлуатації споруди.

У водонасичених глинистих ґрунтах при занурюванні фундаментів і тра-

мбівок відбуваються явища, пов’язані зі втратою їх міцності. У результаті фун-

дамент занурюється в ґрунт легко при відказах, які набагато перевищують про-

ектні. Після “відпочинку” фундаментів протягом 3-4 тижнів їх несуча здатність

зростає у 2-4 рази. Явище помилкового відказу при занурюванні фундаментів у

водонасичені глинисті ґрунти відбувається через руйнування структури навко-

лишнього ґрунту в межах зони впливу. Після припинення динамічних впливів

відбувається поновлення зворотних структурних зв’язків, а оскільки процесу

розрідження відповідає зміцнення за рахунок збільшення щільності складу, то

опір збільшується порівняно з ґрунтом природного складу.

Із збільшенням застосування набивних паль у пробитих, продавлених і

розкочених свердловинах та з камуфлетним розширенням, фундаментів у ви-

трамбуваних та віброштампованих котлованах, забивних блоків й інших із різ-

ними методами впливу на ґрунт при їх улаштуванні та значними геометрични-

ми розмірами актуальнішим стає питання урахування параметрів цього явища