Промышленное строительство Проектирование

Последнее обновление 07.11.2024

Фундаменты из винтовых свай под опоры ЛЭП, ВЛ и контактной сети

Статья содержит информацию об истории применения фундаментов из винтовых свай под опоры ЛЭП, ВЛ и контактной сети, а также о ключевых принципах проектирования оснований подобных объектов, используемых в работе специалистами компании «ГлавФундамент».

Содержание

Климатические условия района строительства
Инженерно-геологические условия района строительства
Оценка геотехнической ситуации на участке строительства
Назначение винтовых свай

Впервые свайно-винтовые фундаменты были применены при строительстве опор ЛЭП, ВЛ и контактной сети еще в 60-е годы 20 века.

Тогда все исследования в этой области были направлены на поиск конструкций свай, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса их погружения. Поэтому значительная часть лопасти располагалась на конусе (стальная винтовая свая с одной лопастью в 1,25 витка, начинающейся на скошенной части ствола и плавно увеличивающейся в ширину, изобретенная Виктором Железковым).

Действительно, такое расположение лопасти облегчает погружение сваи даже в грунты с высокой плотностью, но ее несущая способность при этом существенно снижается. Это происходит из-за технологических особенностей погружения и конструктивных параметров сваи: во время установки возникают изгибающие моменты, являющиеся прямым следствием случайных эксцентриситетов, а вдоль ствола появляются зоны разуплотнения (пустоты и «зазоры» в контактной области «ствол-грунт»), что в процессе работы либо обеспечивает в незначительной степени, либо вовсе не обеспечивает (при использовании свай малых и средних диаметров) мобилизацию сил сопротивления грунта по стволу.

Чтобы свести к минимуму воздействие перечисленных факторов и повысить несущую способность приходилось увеличивать диаметр

ствола и лопасти, что в свою очередь вело к увеличению материалоемкости.

За прошедшие годы подход к проектированию и строительству фундаментов опор ЛЭП, ВЛ и контактной сети из винтовых свай изменился. Многие специалисты отказались от увеличения диаметров ствола и лопасти, как единственного метода повышения несущей способности, добиваясь соответствия требованиям проектной документации путем назначения более оптимальных геометрических и конструктивных параметров винтовых свай.

Тем не менее, результаты расчетов данных конструкций винтовых свай на вдавливающие, выдергивающие и горизонтальные нагрузки аналитическими методами, базирующимися на табличных значениях коэффициентов, демонстрируют значительные расхождения с результатами, полученными во время полевых испытаний грунтов натурными сваями.

В связи с этим специалисты компании «ГлавФундамент» при оценке несущей способности используют численное моделирование статических испытаний грунтов сваями: создание расчетных схем для численного моделирования позволяет получать достоверные результаты, когда расхождение в величине несущей способности даже для слабых грунтов не превышает 20 %.

Приведем в качестве примера расчет несущей способности винтовых свай для фундаментов опор ЛЭП (трассы ВЛ 110 кВ) на территории Русского месторождения, которое является уникальным по величине запасов нефти (геологические запасы составляют около 1,4 млрд тонн, извлекаемые запасы – 422 млн тонн).

Задачи

выполнить численные расчеты несущей способности винтовых свай по грунту на вдавливающие и выдергивающие нагрузки и по материалу;
выполнить аналитический расчет на действие сил морозного пучения;
выполнить прочностные расчеты узла соединения сваи с ростверком из стальных элементов.

Климатические условия района

строительства

Участок строительства располагается на территории Ямало-Ненецкого автономного округа.

III район

по скорости ветра. Нормативное ветровое давление 650 Па, скорость ветра – 32 м/с.

5 баллов

сейсмическая активность района.

III район

по гололеду. Нормативная толщина стенки гололеда – 20 мм.

Инженерно-геологические условия

района строительства

Район изысканий относится к долине реки Таза, пойму которой слагают аллювиальные отложения, находящиеся как в многолетнемерзлом, так и в талом, обычно сильно увлажненном состояниях.

В гидрогеологическом отношении район расположен в северной части Западно-Сибирского артезианского бассейна, на территории Тазовского бассейна, отличительная особенность которого – расположение в пределах зоны развития многолетнемерзлых пород.

Залегающие с поверхности мерзлые толщи развиты очень широко, их мощность в пределах поймы изменяется от 5-10 м до 150-200 м, но на большей ее части не превышает 50 м. среднегодовые температуры многолетнемерзлых пород на большей части территории колеблются от 0 до -2°С.

По результатам инженерно-геологических изысканий и последующего анализа пространственной изменчивости частных значений показателей физико-механических свойств грунтов грунты участка строительства выделены в 22 инженерно-геологических элемента:

суглинок полутвердый / тугопластичный / мягкопластичный / текучий;
супесь пластичная с прослоями суглинка / текучая с прослоями песка / текучая с примесью органических веществ;
песок мелкий средней степени водонасыщения, средней плотности / насыщенный водой, средней плотности;
глина твердомерзлая слабольдистая слоистой криотекстуры;
суглинок твердомерзлый слабольдистый слоистой криотекстуры с прослоями песка / с примесью органических веществ;
суглинок твердомерзлый льдистый слоистой криотекстуры с прослоями глины / сильнольдистый слоистой криотекстуры;
супесь твердомерзлая слабольдистая слоистой криотекстуры с прослоями песка / с примесью органических веществ;
супесь твердомерзлая льдистая слоистой криотекстуры / сильнольдистая слоистой криотекстуры;
песок мелкий твердомерзлый слабольдистый массивной криотекстуры / пылеватый твердомерзлый слабольдистый массивной криотекстуры с прослоями супеси;
торф пластичномерзлый среднеразложившийся слабольдистый слоисто-сетчатой криотекстуры / средней влажности среднеразложившийся нормальнозольный.

Оценка геотехнической ситуации

на участке строительства

Чтобы оценить геотехническую ситуацию, специалистам необходимо было рассмотреть основные факторы, которые могли привести к развитию деформации проектируемых опор. Преобладающее значение среди них имели:

Наличие в основании опор мощной толщи слабых глинистых грунтов.

В основании проектируемых опор залегают слабые глинистые отложения текучей и текучепластичной консистенции, мощность которых в основании сооружения достигает 9 м.

Так как указанные грунты обладают существенной сжимаемостью и малой водопроницаемостью, большие неравномерные осадки основания за счет их дополнительного нагружения могут продолжаться десятки и даже сотни лет.

Наличие грунтов, подверженных силам морозного пучения.

Чтобы обеспечивалась устойчивость конструкций фундамента на действие касательных сил морозного пучения, они должны обладать необходимым сопротивлением на действие выдергивающих нагрузок.

Назначение винтовых свай

Учитывая сложные климатические и грунтовые условия района строительства, а также специфику возводимого сооружения, специалисты отдела научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок компании «ГлавФундамент» рекомендовали под объект сваи широколопастные многолопастные составные (из труб переменного сечения) со следующими конструктивными и геометрическими параметрами:

диаметр лопастей – 500-1000 мм;
толщина лопастей – 14 мм;
конфигурация лопастей – для текучепластичных грунтов;
диаметр ствола – 159-325 мм;
толщина стенки ствола – 10 мм;
длина винтовой сваи – 5 000-10 000 мм.

Выбор толщины металлопроката обусловлен значительной коррозионной активностью грунтов (КАГ) площадки строительства. Для уточнения правильности подбора данного параметра после выполнения расчета срока службы свай в грунте выполняется проверка соответствия остаточной толщины стенки ствола проектным нагрузкам и требованиям ГОСТ 27751 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».

Фундаменты из винтовых свай под опоры ЛЭП, ВЛ и контактной сети

Подбор конфигурации лопасти, соответствующей грунтовым условиям площадки строительства, позволяет минимизировать нарушения структуры грунта в процессе установки винтовой сваи, что обеспечивает соответствие несущей способности требованиям проектной документации.

Оценка несущей способности

свай по грунту

Стандартная методика оценки несущей способности винтовых свай в соответствии с СП 24.13330 «Свайные фундаменты» базируется на упрощенных моделях взаимодействия грунтов и свай, поэтому не обладает достаточной точностью.

Это требует проведения численных расчетов, позволяющих моделировать работу сваи в полевых условиях. В связи с этим для оценки несущей способности многолопастных модификаций специалисты отдела НИОКР использовали системы автоматизированного проектирования (САПР), базирующиеся на методе конечных элементов.

В первую очередь для оценки несущей способности сваи по грунту выбирается определяющая модель грунта. В данном случае была выбрана упруго-пластичная модель с критерием разрушения Кулона – Мора.

Затем выполняется моделирование в трехмерной (пространственной) постановке. Моделируются следующие виды воздействия:

для оценки несущей способности на вдавливание;
для оценки несущей способности на выдергивание.

По результатам расчета было установлено, что при использовании указанных модификаций винтовой сваи условие по обеспечению несущей способности на действие вдавливающих и выдергивающих нагрузок обеспечивается с запасом.

На этом этапе также были смоделированы расстояние между лопастями, шаг и угол наклона лопастей. Необходимость расчета обусловлена сложной зависимостью этих параметров от грунтовых условий и характера нагрузок от строения.

Подробнее

Устойчивость на воздействие сил

морозного пучения

Проверка на устойчивость на воздействие касательных сил морозного пучения проводится в соответствии с СП 25.13330 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

Расчет был выполнен для наихудших грунтовых условий. В результате было установлено, что устойчивость сваи на воздействие касательных сил морозного пучения выполняется с запасом.

Оценка несущей способности свай и

металлических ростверков по материалу

Для расчета прочности и жесткости (по материалу) элементов ростверка и винтовых свай также в системах автоматизированного проектирования были созданы трехмерные модели.

По результатам численного моделирования можно сделать вывод, что

максимальные эквивалентные напряжения (180 МПа) не превышают значение расчетного сопротивления стали (235 МПа). Следовательно, условие по обеспечению несущей способности стальных элементов выполняется с запасом.

Расчет элементов ростверка

по деформациям

В соответствии с СП 63.13330 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» расчет металлических элементов по деформациям производят из условия, по которому прогибы или перемещения конструкций от действия внешней нагрузки не должны превышать предельно допустимых значений прогибов или перемещений.

Было установлено, что условие по деформации выполняется.

Расчет элементов ростверка по деформациям

Выводы и рекомендации

Результаты расчетов свидетельствуют о возможности применения рекомендованных многолопастных составных винтовых свай и металлических ростверков.

Для окончательных расчетов несущую способность винтовых свай было рекомендовано принимать по результатам испытаний свай статической нагрузкой в соответствии с ГОСТ 5686 «Грунты. Методы полевых испытаний грунтов сваями».