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

Промышленное строительство Проектирование


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».

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). 

Перед сотрудниками компании «ГлавФундамент» стояло несколько задач:

  • 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

Район по скоростному напору ветра III. Нормативное ветровое давление 650 Па, скорость ветра – 32 м/с.

Район по гололеду III. Нормативная толщина стенки гололеда 20 мм.

Сейсмическая активность района 5 баллов.

Инженерно-геологические условия района строительства

Участок строительства располагается на территории Ямало-Ненецкого автономного округа.

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

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 -2ºС.

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;

  • суглинок тугопластичный;

  • суглинок мягкопластичный;

  • суглинок текучий;

  • супесь пластичная с прослоями суглинка;

  • супесь текучая с прослоями песка;

  • супесь текучая с примесью органических веществ;

  • песок мелкий средней степени водонасыщения, средней плотности;

  • песок мелкий насыщенный водой, средней плотности;

  • глина твердомерзлая слабольдистая слоистой криотекстуры;

  • суглинок твердомерзлый слабольдистый слоистой криотекстуры с прослоями песка;

  • суглинок твердомерзлый слабольдистый слоистой криотекстуры с примесью органических веществ;

  • суглинок твердомерзлый льдистый слоистой криотекстуры с прослоями глины;

  • суглинок твердомерзлый сильнольдистый слоистой криотекстуры;

  • супесь твердомерзлая слабольдистая слоистой криотекстуры с прослоями песка;

  • супесь твердомерзлая слабольдистая слоистой криотекстуры с примесью органических веществ;

  • супесь твердомерзлая льдистая слоистой криотекстуры;

  • супесь твердомерзлая сильнольдистая слоистой криотекстуры;

  • песок мелкий твердомерзлый слабольдистый массивной криотекстуры;

  • песок пылеватый твердомерзлый слабольдистый массивной криотекстуры с прослоями супеси;

  • торф пластичномерзлый среднеразложившийся слабольдистый слоисто-сетчатой криотекстуры;

  • торф средней влажности среднеразложившийся нормальнозольный.

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

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:

1. 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.

2. 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

Напряжения (общий вид без грунта)_png.jpg

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 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения». 

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 (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей»).

Оценка несущей способности свай по грунту

Стандартная методика оценки несущей способности винтовых свай в соответствии с СП 24.13330.2011 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 «Особенности расчета двухлопастных винтовых свай»).

Устойчивость на воздействие сил морозного пучения

Проверка на устойчивость на воздействие касательных сил морозного пучения проводится в соответствии с СП 25.13330.2011 «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.

Напряжения у оголовков и в нижних балках_png

Расчет элементов ростверка по деформациям

В соответствии с СП 63.13330.2012 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.

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 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний грунтов сваями».



Была ли информация для Вас полезной?
0
0
0

Статьи по теме