Санкт-Петербурзький Державний Технічний Університет
Інженерно-будівельний факультет
Кафедра Технології, організації та економіки будівництва
Санкт-Петербург
2001
Огляд існуючих методів розрахунку бурових паль
При зведенні нових будинків і реконструкції старих в примиканні до існуючої забудови однією з основних проблем будівництва є виняток неприпустимих додаткових деформацій прилеглих будинків. У плані статичної роботи підстави найбільш безпечними як для існуючих, так і для проектованих будівель виявляються пальові фундаменти, що прорізають товщу слабких глинистих грунтів і спираються на відносно надійні моренні відкладення чи відкладення венда. Однак при виборі пальового варіанти фундаментів виникає проблема винятку розвитку неприпустимих осад прилеглих будинків на стадії пристрої пальового поля. Найбільш щадними в умовах Санкт-Петербурга є палі, виготовлені за технологією типу "Bauer", "Cazagrande". При підсиленні фундаментів часто влаштовуються палі за буроін'єкційних технології.
Накопичений досвід випробувань таких паль свідчить про те, що несуча здатність паль, розрахована за формулами і таблицями СНиП 2.02.03-85, виявляється в 2-3 рази нижче фактичної несучої здатності, визначеної в результаті статичних випробувань [1], [2]. У більшості ж випадків фактичну несучу здатність паль не вдавалося встановити, так як вибір обладнання для статичних випробувань здійснювався, як правило, виходячи з розрахованої несучої здатності по СНиП.
Рекомендації щодо вдосконалення методів розрахунку несучої здатності бурових паль в інженерно-геологічних умовах Санкт-Петербурга
Для коректного попереднього призначення несучої здатності бурових паль виконано аналіз результатів випробувань 73 паль діаметром від 151 до 750 мм довжиною від 4 до 36 м і порівняння з розрахунковими значеннями. Вибір розрахункового апарату проведений в рамках СНиП, тобто в рамках, доступних для проектування.
При розрахунку несучої здатності паль були розглянуті наступні робочі гіпотези:
Гіпотеза 1 (методика СНіП): при виготовленні бурових паль відбувається порушення природної структури грунту; додаткове ущільнення грунту (характерне для паль, що занурюються в грунт в готовому вигляді) відсутня. Ці передумови покладені в основу методики СНиП 2.02.03-85, де несуча здатність бурових паль визначається за формулою (11): розрахунковий опір під нижнім кінцем визначається за табл. 7, розрахунковий опір на бічній поверхні - відповідно до табл. 2 з урахуванням понижуючих коефіцієнтів з табл. 5.
Гіпотеза 2: при виготовленні бурових паль не відбувається порушення природної структури; грунт навколо палі ущільнюється за рахунок різниці питомої ваги бетону та грунту. Такі базові передумови лежать в основі визначення несучої здатності забивних паль за формулою (8) СНиП 2.02.03-85: розрахунковий опір під нижнім кінцем визначається за табл. 1, розрахунковий опір на бічній поверхні - відповідно до табл. 2 без понижуючих коефіцієнтів.
Гіпотеза 3: Паля працює як глибока опора; при виготовленні відбувається порушення природної структури. Несуча спроможність визначається як сума складових з нижнього кінця і по бічній поверхні. Несуча здатність по нижньому кінця визначається за формулою (16) СНиП 2.02.01-83, несуча здатність по бічній поверхні - по розрахунковому опору грунту з табл. 2 СНіП 2.02.03-85 з урахуванням понижуючих коефіцієнтів з табл. 5 цього ж СНиП.
Гіпотеза 4: Паля працює як глибока опора; порушення природної структури грунту навколо палі не відбувається. Несуча спроможність визначається як сума складових з нижнього кінця і по бічній поверхні. При цьому несуча здатність по нижньому кінця визначається за формулою (16) СНиП 2.02.01-83, несуча здатність по бічній поверхні - по розрахунковому опору грунту з табл. 2 СНіП 2.02.03-85 без понижуючих коефіцієнтів.
Аналітичний аналіз ситуації та статистична обробка результатів досліджень включають наступні можливі об'єктивні і суб'єктивні помилки:
Неточність даних про інженерно-геологічному нашарування грунтів. Оцінка несучої здатності палі виконується на підставі інженерно-геологічних даних по свердловині, найближчій до палі. При цьому найближча свердловина може опинитися на відстані десятків метрів від палі.
Природний розкид фізико-механічних властивостей грунтів. Як природне середовище, грунти мають істотну мінливість властивостей і в горизонтальному і в вертикальному напрямках. У зв'язку з цим результати статичних випробувань однакових паль, що знаходяться в межах "видимості" однієї і тієї ж свердловини, можуть помітно відрізнятися один від одного.
Неточність прийнятих міцнісних характеристик грунтів під нижніми кінцями. У більшості розглянутих випадків при інженерно-геологічних вишукуваннях міцнісні характеристики грунтів приймаються за таблицями нормативних документів на підставі фізичних характеристик.
Неточність визначення фактичної несучої здатності за графіками статичних випробувань (помилки екстраполяції). Як зазначалося вище, у багатьох випробуваннях, за якими проводився аналіз, навантаження не доводилася до зриву, а в одному з випробувань осаду склала всього 1,2 мм при навантаженні 80 т. У цих випадках очікувана фактична несуча здатність визначалася умовно шляхом екстраполяції графіка "навантаження -осідання "до ординати 2 см. Крива екстраполяції будувалася з урахуванням випробувань найближчих паль або з урахуванням випробувань аналогічних паль у схожих інженерно-геологічних умовах.
Рис. 1. Діаграма відповідності розрахованої несучої здатності паль за гіпотезою 1 і несучої здатності, визначеної на підставі результатів статичних випробувань
На рис. 1 представлена діаграма, на якій по горизонтальній осі показано несуча здатність палі F1Т, розрахована відповідно до гіпотези 1, а по вертикальній осі - несуча здатність F (фактична або очікувана), визначена за результатами статичних випробувань. Діагональна тонка лінія на графіку відповідає ідеальному збігу результатів розрахунку і випробувань. Результати розрахунку і статичних випробувань практично співпали тільки у 5 випадках (Зазначені випадки аномально низької здатності паль за інформацією, отриманою в СПб ГЕКК ОФіПС, характеризуються тим, що палі не були доведені до грунтів, прийнятих у проекті в якості несучого шару.) (Т . тобто в 7% розглянутих випадків), в інших випадках фактична несуча здатність виявилася вище розрахованого значення. Середньоквадратичне відхилення результатів розрахунку від фактичного значення несучої здатності для даної вибірки склало 107 т. Для того щоб оцінити, якою мірою метод розрахунку СНиП занижує несучу здатність бурових паль, визначимо коефіцієнт k рівняння прямої виду F = k × F1T методом найменших квадратів. Результати статистичного аналізу дають величину коефіцієнта k = 1,756 при коефіцієнті кореляції R = 0,9. Таким чином, фактична несуча здатність, в середньому, виявляється в 1,756 рази вище розрахованої за СНіП.
Проаналізуємо результати порівняння несучої здатності, обчисленої за таблицями для забивних паль F2T (гіпотеза 2) і визначеною за результатами статичних випробувань F (рис. 2). Порівняння свідчить про те, що в 49% випадків розрахунок несучої здатності F2T показує завищене значення. Середньоквадратичне відхилення результатів розрахунку від фактичних значень несучої здатності для даної вибірки становить 90 т. У найбільшою мірою завищені результати виходять у випадку обпирання паль на грунти твердої консистенції. Якщо виключити з аналізу ці точки, то середньоквадратичне відхилення розрахункових значень від фактичних знижується до 51 т. Визначивши коефіцієнт k рівняння прямої виду F = k × F2T, отримаємо, що фактична несуча здатність, в середньому, виявляється на 20% нижче розрахованої на підставі гіпотези 2 (коефіцієнт k = 0,797 при коефіцієнті кореляції R = 0,78).
Рис. 2. Діаграма відповідності розрахованої несучої здатності паль за гіпотезою 2 і несучої здатності, визначеної на підставі результатів статичних випробувань
Рис. 3. Діаграма відповідності розрахованої несучої здатності паль за гіпотезою 3 та несучої здатності, визначеної на підставі результатів статичних випробувань
Наступна оцінка виконана для несучої здатності F3T, обчисленої відповідно до гіпотези 3 (рис. 3). При цьому коефіцієнти форми фундаменту приймалися рівними одиниці, в іншому випадку розрахункова несуча здатність виявляється істотно вище фактичної. Така методика розрахунку дала завищений прогноз несучої здатності в 25% випадків, проте суттєва різниця між розрахунковими і фактичними значеннями є лише у 5 випадках, тобто в 7% розглянутих випадків. Середньоквадратичне відхилення результатів розрахунку від фактичного значення становить 56 т. Кореляційна пряма практично збігається з теоретичної (k = 1,032 при коефіцієнті кореляції R = 0,86).
Прогноз несучої здатності бурових паль без введення понижуючих коефіцієнтів для розрахункового опору грунту по боковій поверхні F4T (гіпотеза 4) показав завищення в порівнянні з фактичною несучою спроможністю в 47% випадків (рис. 4). Фактична несуча здатність, в середньому, виявляється на 11% нижче розрахованої на підставі гіпотези 4 (k = 0,893, коефіцієнт кореляції R = 0,91) при середньоквадратичному відхиленні 55 т від теоретичної прямій.
Рис. 4. Діаграма відповідності розрахованої несучої здатності паль за гіпотезою 4 і несучої здатності, визначеної на підставі результатів статичних випробувань
Необхідно зауважити, що для паль малого діаметру (151 мм) і для паль малої глибини занурення (до 9 м) розрахункові значення по всіх гіпотезам виявилися нижче фактичної несучої здатності (рис. 5). Для паль малого діаметру ця різниця, очевидно, пов'язана з тим, що при виготовленні палі за рахунок обпресування свердловини високим тиском її фактичний діаметр може збільшуватися, що призводить до відповідного збільшення площі опертя і площі бічної поверхні в порівнянні з проектними значеннями. Крім цього при виготовленні паль у піщаних грунтах ймовірні локальні гідророзриву, що заповнюються розчином, що впливає на характер передачі навантаження на основу в порівнянні з теоретичним.
F1T F2T F3T F4T |
Рис. 5. Діаграма відповідності розрахованої несучої здатності паль і несучої здатності визначеної на підставі результатів статичних випробувань для паль малого діаметру (151 мм) і для паль малої глибини занурення (до 9 м)
На підставі проведеного аналізу побудовані кореляційні криві, що дозволяють виконати попередню оцінку несучої здатності паль, очікуваної при статичних випробуваннях.
Порівняємо результати прогнозу несучої здатності буронабивних паль на реальних проектованих об'єктах з результатами статичних випробувань.
На одному з майданчиків запроектовані (на стадії "Проект") буронабивні палі діаметром 620 мм. Майданчик має таке нашарування грунтів. З поверхні залягає насипний шар потужністю 0,9 м, під ним - піски пилуваті і дрібні потужністю 4,4 м, потім слід 11,5-метрова товща слабких озерно-льодовикових відкладів, складених суглинками текучої консистенції. Моренні відкладення залягають з глибини 17 м. У покрівлі знаходяться м'якопластичного супіски потужністю 0,8 м, під ними - тугопластичної суглинки, прийняті в якості несучого шару основи. Виходячи з розрахунків осад проектованої будівлі та додаткових осад прилеглих будинків, мінімальна необхідна глибина занурення паль становила 20,7 м, яка і була прийнята в попередньому проекті.
Несуча здатність палі, розрахована з використанням формул і таблиць СНиП 2.02.03-85 становить F1Т = 107 т, що відповідає розрахунковій навантаженні 107 / 1,4 = 76 т. Несуча здатність палі при використанні інших передумов, викладених у даній роботі: F2Т = 218 т, F3T = 150 т, F4T = 174 т. За кореляційним кривим несуча здатність, очікувана при випробуваннях, склала 216 ... 240 т. У попередньому проекті пальове поле було спроектовано на несучу здатність 216 т, що відповідає розрахунковому навантаженні на палю 216 / 1,2 = 180 т. На майданчику були випробувані 2 палі. При випробуваннях одна паля отримала осадку 2 см при навантаженні 240 т, друга при навантаженні 160 т (В останньому випадку за даними технагляду не був належним чином підготовлений забій свердловини). Таким чином, несуча здатність однієї палі точно відповідає верхньому передбаченого межі, несуча здатність другий палі опинилася на 56 т нижче нижньої межі.
На другому майданчику під будівлю запроектовані буронабивні палі діаметром 450 мм. Майданчик складена наступними грунтами. З поверхні залягає насипний шар потужністю 2,8 м, під ним - 1,4-метровий шар торфу, піски пилуваті потужністю 1,8 м, потім слідує 6,3-метрова товща слабких озерно-льодовикових відкладів, складених текучими супісками з 0, 9-метровим прошарками пилуватих пісків. Моренні відкладень залягають з глибини 12,3 м і представлені тугопластичної супіском, прийнятої в якості несучого шару основи. Виходячи з розрахунків осад проектованої будівлі та додаткових осад прилеглих будинків мінімальна необхідна глибина занурення паль становила 25,5 м, яка і була прийнята в попередньому проекті.
Несуча здатність палі, розрахована з використанням формул і таблиць СНиП 2.02.03-85 становить F1Е = 104 т, що відповідає розрахунковій навантаженні 104 / 1,4 = 74 т. Несуча здатність палі при використанні інших передумов, викладених у роботі: F2Т = 182 т, F3T = 164 т, F4T = 196 т. За кореляційним кривим несуча здатність, очікувана при випробуваннях, склала 167 ... 195 т. У попередньому проекті пальове поле було спроектовано на несучу здатність 150 т, що відповідає розрахунковому навантаженні на палю 150 / 1,2 = 125 т. На майданчику були випробувані 2 палі. При випробуваннях одна паля отримала осадку 9,67 мм при навантаженні 194 т, друга 11,18 мм при тому ж навантаженні. На цьому навантаженні випробування були зупинені. Екстраполяція результатів випробувань до опади 2 см дозволяє припустити, що фактична несуча здатність паль становить 230 ... 240 т. Таким чином, несуча здатність паль опинилася на 35 ... 45 т вище верхнього передбаченого межі.
Висновки
Виконаний аналіз свідчить про те, що є майже дворазовий резерв фактичної несучої здатності бурових паль в порівнянні з розраховується за методикою СНіП.
Найбільш достовірний розрахунковий прогноз несучої здатності бурових паль в інженерно-геологічних умовах Санкт-Петербурга можливий при розгляді роботи паль як глибоких опор і використанні наступних передумов:
несуча здатність по вістрю визначається за формулою (16) СНиП 2.02.01-83 як для глибокої опори з одиничними коефіцієнтами форми фундаменту;
несуча здатність по боковій поверхні визначається по розрахунковому опору грунту з табл. 2 СНіП 2.02.03-85 з урахуванням понижуючих коефіцієнтів з табл. 5 цього ж СНиП (як для бурових паль).
Запропонований метод розрахунку дозволяє здійснити майже дворазову економію кількості дорогих паль. Однак, для того, щоб цей резерв був реалізований, необхідний чіткий контроль якості виготовлення паль, що включає геологічний моніторинг забою свердловини і контроль суцільності стовбура палі.
Тематика прогнозу несучої здатності буронабивних паль залишається актуальною для Санкт-Петербурга, дана робота є лише першою спробою систематизації та аналізу результатів випробувань.
Список літератури
Бронін В.М, Вершинін В.П., Осокін А.І., Хурамшін Р.Я., Галіопа А.А. Проектування і пристрій пальових фундаментів і розділових стінок в умовах обмеженої забудови Санкт-Петербурга / / Реконструкція Санкт-Петербург-2005 / Матер. Третя міжнар. симпозіуму. Ч. 5. СПб, 1995. - С. 72-77.
Сотников С.М., Соловйова О.В., Зінов'єва І.Д. Досвід застосування бурових паль при будівництві будівель в центрі Санкт-Петербурга. / / Підстави, фундаменти і механіка грунтів. 1999. - № 5. - С. 8-12.