Экспериментальное исследование несущей способности и деформации основания одиночной буровой сваи и односвайно-плитного фундамента



В статье исследуются свайно-плитные фундаменты, в которых плитой в их составе воспринимаются и передаются горизонтальная нагрузка и изгибающий момент на грунт, а свая работает под действием минимального изгибающего момента. Такая система «свая-плита-колонна» обеспечивает передачу вертикальной нагрузки как за счёт сваи, так и за счёт плиты, кроме того плита воспринимает действие горизонтальной нагрузки и изгибающего момента и передаёт их на грунт, что обеспечивает достаточно значительную технико-экономическую эффективность фундамента, его надёжность, улучшает условия работы сваи, а плита включает грунт в работу на действие горизонтальной нагрузки и изгибающего момента. Расширяется область применения данного фундамента под тяжёлой сосредоточенной нагрузкой в высотном строительстве и при глубинном освоении подземного пространства за счёт применения крупноразмерных свай и соответственно плит. Для изучения работы односвайно-плитных фундаментов были проведены испытания, целью которых являлось определение факторов, влияющих на повышение несущей способности сваи как с плитой, так и без плиты, а также определение влияния уплотнённого грунта под плитой на сопротивление горизонтальной нагрузки и изгибающего момента.

Ключевые слова: односвайно-плитный фундамент, одиночная буровая свая, железобетонная плита, экспериментальное исследование, статические испытания.

В практике строительства лёгких объектов нашли применение системы конструкций «свая-колонна». Положительной стороной их использования является простота устройства односвайного фундамента и технико-экономическая эффективность. Однако односвайные фундаменты имеют существенный недостаток в условиях работы сваи в грунте под действием вертикальной и горизонтальной нагрузок и изгибающего момента. Поэтому исследуются свайно-плитные фундаменты, в которых плитой в их составе воспринимаются и передаются горизонтальная нагрузка и изгибающий момент на грунт. А свая работает под действием минимального изгибающего момента. Такая система «свая-плита-колонна» обеспечивает передачу вертикальной нагрузки как за счёт сваи, так и за счёт плиты, кроме того плита воспринимает действие горизонтальной нагрузки и изгибающего момента и передаёт их на грунт, что обеспечивает достаточно значительную технико-экономическую эффективность фундамента, его надёжность, улучшает условия работы сваи, а плита включает грунт в работу на действие горизонтальной нагрузки и изгибающего момента. Расширяется область применения данного фундамента под тяжёлой сосредоточенной нагрузкой в высотном строительстве и при глубинном освоении подземного пространства за счёт применения крупноразмерных свай и соответственно плит. Для изучения работы односвайно-плитных фундаментов были проведены испытания, целью которых являлось определение факторов, влияющих на повышение несущей способности сваи как с плитой, так и без плиты, а также определение влияния уплотнённого грунта под плитой на сопротивление горизонтальной нагрузки и изгибающего момента.

Статические испытания проводились в условиях, представленных инженерно-геологическим разрезом с расположением опытной буровой сваи (см. рис. 1), который показан на основании технического отчёта об инженерно-геологических изысканиях по объекту «Жилые дома поз. Л1.2-маг, Л1.3-маг, Л1.4-маг в девятиэтажном варианте», выполненного ООО «ГеоНика» в ноябре 2013 г. (инв. № 61). Физико-механические характеристики опытной площадки представлены в таблице 1.

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез с расположением опытной буровой сваи

Таблица 1

Физико-механические характеристики опытной площадки

N	Название	Модуль деформации	Угол внутр. трения	Удельн. сцепление	Показ. текучести	Плотность	Плотность сух. гр.	Коэфф. пористости	Прир. влажность	Степень влажности	Нач. просадочное давление
		E	φ	с	IL	ρ	ρ0	е	ω	Sr	Psl
		МПа	ͦ	кПа	д. е.	т/м3	т/м3	д. е.	д. е.	д. е.	кПа
1	Супесь твёрдая просадочн.	10	27	13	-0,41	1,77	1,58	0,721	0,12	0,26	1,1
2	Суглинок полутвёрд. просадочн.	13	27	20	0,08	1,78	1,55	0,755	0,12	0,31	1,5

Перед проведением натурных исследований была разработана программа работ. При планировании эксперимента учитывался опыт проведения испытаний строительных конструкций других авторов, в том числе назначение способа нагружения, применяемые приборы и оборудование, ступени нагружения при нагрузке и разгрузке и т. д. [1, 2].

Программа по доказательству предпосылок состоит из следующих работ:

1. Статические испытания буровых свай как на вдавливающую нагрузку, так и на горизонтальную нагрузку и изгибающий момент выполнены ускоренными испытаниями грунтов по ГОСТ [3, с. 23]. Ускоренные испытания проводились посредством измерения деформаций основания свай при приложении вертикальной статической осевой нагрузки и при действии горизонтального усилия и изгибающего момента.
2. Схемы статических испытаний свай представлены на рис. 2 и 3.

Для передачи вдавливающей нагрузки на опытную сваю посредством гидравлического домкрата были устроены анкерные сваи диаметром 450 мм, длиной 3 м в количестве четырёх штук. На рис. 2 представлена схема установки для испытания опытных свай статической вдавливающей нагрузкой.

Рис. 2. Схема установки для испытания свай осевой статической вдавливающей нагрузкой

Для передачи горизонтальной нагрузки на опытную сваю использовалась лебёдка. На рис. 3 представлена схема установки для испытания опытных свай статической горизонтальной нагрузкой.

Рис. 3. Схема установки для испытания свай статической горизонтальной нагрузкой

3. При испытаниях опытных свай нагружение осуществлялось с помощью домкрата марки ДП20П50 и ручного гидравлического насоса марки НРГ7007.
4. Ступени приложения нагрузок определялись исходя из 1/10 критической нагрузки, что составило 7 кН для вдавливающей и 0,5 кН для горизонтальной нагрузок.
5. Для контроля передаваемой вертикальной и горизонтальной нагрузок использовались соответственно динамометры ДОС-100 и ДОР-10 с индикаторами часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм.
6. Переход к последующей ступени нагружения производился после достижения условной стабилизации, которая составляет 0,1 мм за 30 мин для вертикальной и 0,1 мм за 2 часа для горизонтальной нагрузок.
7. Для контроля перемещений испытуемой сваи использовались нивелир марки HILTIPOL-15 с точностью измерения 0,2 мм с рейкой и индикатор часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм, для анкерных свай — только нивелир.
8. Всё оборудование до испытаний было оттарировано.
9. Схемы испытания одиночных буровых свай и односвайно-плитных фундаментов показаны на рис. 4.

Рис. 4. Схемы испытаний: а — одиночной буровой сваи при критической нагрузке, б — односвайно-плитного фундамента при критической вертикальной нагрузке, в — односвайно-плитного фундамента при действии горизонтальной нагрузки и изгибающего момента; 1 — буровая свая, 2 — грунтоуплотнённый тангенсоид вращения, 3 — плита, 4 — грунтоуплотнённый усечённо-пирамидальный тангенсоид

10. С целью релаксации напряжений в грунте было выбрано время «отдыха» свай на вдавливающую нагрузку, которое для глинистых грунтов составило 6 суток [3, с. 6].
11. Согласно ГОСТ [3, с. 7] нагрузка при испытании натурной сваей должна быть доведена до значения, при котором общая осадка сваи составляет не менее 40 мм, для горизонтальной — не менее 20 мм.

На рис. 5 и 6 представлены испытания на вдавливающую нагрузку.

Рис. 5. Испытание одиночной буровой сваи на вдавливающую нагрузку

Рис. 6. Испытание односвайно-плитного фундамента

График зависимости осадки S от нагрузки P одиночной буровой сваи и односвайно-плитного фундамента на статическую вдавливающую нагрузку представлены на рис. 7.

Рис. 7. График зависимости S = f (P) на статическую вдавливающую нагрузку: 1 — одиночной буровой сваи; 2 — односвайно-плитного фундамента; А — теоретическая несущая способность буровой сваи № 1; Б — теоретическая несущая способность односвайно-плитного фундамента № 2

Анализ рис. 7 показал, что несущая способность односвайно-плитного фундамента № 2 при S = 40 мм выросла на 52 % по отношению к буровой свае № 1. Это свидетельствует о включении в работу грунта под подошвой плиты. Опыт экспериментальных и теоретических исследований показывает, что определение деформаций при разгрузке материалов и конструкций позволяет провести более детальную оценку напряженно-деформированного состояния при упруго-пластическом характере деформирования [1; 4, с. 182; 5, с. 184]. При снятии нагрузки с испытанных свай происходит подъём головы сваи (упругие деформации) на величину порядка 7 мм или 17,5 % от полной осадки — 40 мм. Анализ материалов сети Интернет показал, что при разгрузке упругие деформации составляют порядка 8–25 % от 40 мм. Меньшее значение характерно для несвязных грунтов, большее значение — для глинистых с повышенной влажностью.

В соответствии с СП [6, 7] определяем предельные нагрузки, приходящиеся на буровую сваю № 1 и односвайно-плитный фундамент № 2. Согласно СП [6, с. 13] коэффициент надёжности по грунту для удельного сцепления составляет γ_q(c) = 1,5, тогда природное удельное сцепление для буровой сваи будет c_r= 3 тс/м², а для плиты — 1,95 тс/м². Коэффициент надёжности по грунту для угла внутреннего трения пылевато-глинистых грунтов составляет γ_q(φ) = 1,15, тогда природный угол внутреннего трения будет φ_h= 31ᵒ.

При расчёте по СП [6, с. 21] сопротивление грунта под нижним концом буровой сваи составит R = 70,93 т/м², под подошвой плиты — R = 23,60 т/м². Площадь поперечного сечения сваи при её диаметре Ø = 0,22 м будет S = 0,038 м², тогда площадь плиты — S = 0,5 × 0,5–0,038 = 0,212 м². Предельная нагрузка под нижним концом сваи F_н = 70,93 × 0,038 = 2,7 тс (27 кН), под подошвой плиты — F_н = 23,60 × 0,212 = 5,0 тс (50 кН). Расчёт по боковой поверхности сваи выполняется по СП [7, с. 21] без учёта коэффициента надёжности γ = 1,5 и составляет F_б = 57,32 кН. Следовательно, общая нагрузка, приходящая на буровую сваю № 1 при расчёте по СП [7, с. 21], будет F_о = 27 + 57,32 = 84,32 кН, тогда общая нагрузка, приходящаяся на односвайно-плитный фундамент № 2, составит F_о = 84,32 + 50 = 134,32 кН.

Результаты теоретических расчётов графически изображены на рис. 7 (т. А и Б). Анализ результатов несущей способности буровой сваи № 1 и односвайно-плитного фундамента № 2 по предельным состояниям при S = 40 мм приведён в таблице 2.

Таблица 2

Анализ результатов несущей способности буровой сваи №1 иодносвайно-плитного фундамента №2 по предельным состояниям при S = 40 мм

Фундамент	Несущая способность по результатам статических испытаний, кН	Теоретическая несущая способность, кН	Отношение разницы между опытн. итеор. значениями копытному значению,%
Буровая свая № 1	97,46	84,32	13
Односвайно-плитный фундамент № 2	148,52	134,32	10

На рис. 8 представлено испытание односвайно-плитного фундамента на статическую горизонтальную нагрузку с моментом.

Рис. 8. Испытание односвайно-плитного фундамента на статическую горизонтальную нагрузку с изгибающим моментом

График зависимости перемещения Δ_н от нагрузки Р_т односвайно-плитного фундамента на статическую горизонтальную нагрузку с изгибающим моментом представлен на рис. 9.

Рис. 9. График зависимости Δ_н = f (Р_т) односвайно-плитного фундамента на статическую горизонтальную нагрузку с изгибающим моментом: А — теоретическое перемещение оголовка сваи на Δ = 20 мм при коэффициенте пропорциональности К = 1800 тс/м⁴

Анализ представленного графика показал, что начало перемещения односвайно-плитного фундамента произошло при нагрузке 2,7 кН, хотя по теоретическому расчёту по СНиП [8, с. 35] должно происходить при меньших нагрузках. Это связано с тем, что формула рассматривает упругую среду. По факту деформации происходят после преодоления прочностных характеристик грунта (прочностная характеристика грунта величина не постоянная и зависит от влажности). Дальнейшее нагружение горизонтальной нагрузкой с изгибающим моментом односвайно-плитного фундамента до перемещения Δ_н = 20 мм показало нагрузку в P_т = 28 кН;

В соответствии со СНиП [8, с. 35] был выполнен расчёт односвайно-плитного фундамента на горизонтальную нагрузку с изгибающим моментом. При расчётах был выбран наибольший коэффициент пропорциональности для супесей твёрдых (I_L < 0) — К = 1800 тс/м⁴. Это сделано для того, чтобы максимально приблизить теоретические расчёты к статическим испытаниям, т. к. после статических испытаний односвайно-плитного фундамента на вдавливающую нагрузку произошло увеличение несущей способности грунта за счёт уплотнения и уменьшения влажности под плитой. Результатом теоретических расчётов определения несущей способности односвайно-плитного фундамента при перемещении Δ_н = 20 мм стала нагрузка в 20,9 кН.

Результаты теоретических расчётов графически изображены на рис. 9 (т. А). Анализ результатов теоретических расчётов и статических испытаний на горизонтальную нагрузку с изгибающим моментом односвайно-плитного фундамента при Δ_н = 20 мм приведён в таблице 3.

Таблица 3

Анализ результатов теоретических расчётов истатических испытаний на горизонтальную нагрузку сизгибающим моментом односвайно-плитного фундамента при Δ_н = 20 мм

Фундамент	Несущая способность по результатам статических испытаний, кН	Теоретическая несущая способность, кН	Отношение разницы между опытн. итеор. значениями копытному значению,%
Односвайно-плитный фундамент	28	20,9	25

По результатам статических испытаний можно сделать следующий вывод: как видно из таблиц 2 и 3 разница между теоретическими расчётами и статическими испытаниями составляет 10–25 %. Это свидетельствует о том, что современные теоретические расчёты не совершенны и требуются дальнейшие исследования данной области, которые могут быть направлены на разработку математически строгих методов расчёта совместной работы плиты, сваи и сжимаемой толщи с учётом деформативных свойств грунтов.

Литература:

1. Тошин Д. С. Нелинейный расчет деформаций изгибаемых железобетонных элементов при разгрузке с применением деформационной модели: дис. … канд. техн. наук: 05.23.01. Самара, 2009.
2. Пат. 2530470 Рос. Федерация. Способ испытания конструкций и установка для его осуществления / С. М. Анпилов, В. А. Ерышев, А. С. Рыжков, В. Г. Мурашкин, Е. В. Латышева, Д. С. Тошин; 09.01.2013.
3. ГОСТ 5686–2012. Грунты. Методы полевых испытаний сваями. — Введ. 2013–07–01. — М.: ФГУП «Стандартинформ», 2014. — 43 с.
4. Ерышев В. А., Тошин Д. С., Бондаренко А. С. и др. Диаграммный метод оценки деформаций изгибаемых железобетонных элементов при разгрузке // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2009. № 12. С. 182–188.
5. Тошин Д. С., Степанов А. А., Мисько Е. А. и др. Оценка деформативности утеплителей при однократном и повторном приложении нагрузки // Юность и Знания — Гарантия Успеха — 2015: материалы 2-й Междунар. науч.-практич. конф. 01–02 октября 2015 — Курск, 2015. — Т. 2. — С. 184–188.
6. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01–83*. — Введ. 2011–05–20. — М.: ОАО «ЦПП», 2011. — 162 с.
7. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03–85. — Введ. 2011–05–20. — М.: ОАО «ЦПП», 2011. — 86 с.
8. СНиП 2.02.03–85. Свайные фундаменты. — М.: ФГУП ЦПП, 2006. — 46 с.