Исследование совместной работы винтовой сваи с грунтом в лабораторных условиях

Экспериментальные исследования проводились на моделях винтовых свай в металлическом лотке:

При проведении лабораторных исследований использовалась теория расширенного подобия. Расширенное моделирование отличается от простого только отсутствием необходимости выполнения геометрического подобия.^[1]

В качестве грунта основания в моделях использовался суглинок твердый, маловлажный нарушенной структуры, который послойно укладывался в лоток слоями по 100 мм, с уплотнением до заданной плотности. Контроль за однородностью грунтовой среды осуществлялся пенетрометром по предварительно построенным корреляционным зависимостям, связывающим плотность и влажность грунта с условным предельным напряжением сдвига R.^[2] Сваи завинчивалась на глубину 0.65 м, характеристики физического состояния грунта определены в соответствии с ГОСТ 5180 ^[3] и приведены в таблице 1.

Для измерения деформированного состояния околосвайного грунта в лотке устанавливались глубинные марки на удалении 0,15 м, 0,2 м, 0,25 м от оси сваи в горизонтальном направлении и по глубине в четырех уровнях (0,15 м, 0,3 м, 0,4 м, 0,5 м) от дневной поверхности. Все марки соединялись с датчиками измерения перемещений с точностью измерений 0,01 мм. Осадка сваи измерялась прогибомерами, установленными в двух точках. Все глубинные марки имели обсадные трубы, которые после установки марок приподнимались на 5-10 см и анкерились.

Геометрические характеристики модельных свай

Лабораторные испытания на маломасштабных моделях свай включали в себя работы по определению деформированного состояния околосвайного массива грунта, несущей способности сваи по грунту, а также определение размеров зон деформаций грунтового массива.

Нагрузка к винтовой свае прикладывалась ступенями величиной не более 1/10 от ожидаемой предельной нагрузки. Каждую ступень выдерживали до условной стабилизации деформации грунта. За несущую способность сваи принималось значение нагрузки при осадке сваи, равной 0,025 м.

Деформированное состояние грунта исследовалось на каждом этапе приложения нагрузки.

При нагрузках близких к предельным, выделяются два максимума на глубине 300 мм (в плоскости верхней лопасти) и на глубине 500 мм (в плоскости нижней лопасти).

Датчики перемещений, установленные на удалении 25 см от оси сваи, зафиксировали незначительное отклонение от своих первоначальных значений, что позволяет выявить границу зоны деформации в горизонтальном направлении, которая распространяется в радиусе 0,75D, где D – диаметр лопасти винтовой сваи.

После завершения эксперимента производилась откопка опытной сваи с целью определения объема зоны деформации под нижней лопастью сваи, определения плотности сухого грунта вокруг сваи.

Опробывание грунтов осуществлялось методом пенетрации. За границу деформированной зоны принята область под нижней лопастью, где наблюдается совпадение начальной плотности сухого грунта до и после испытания, которая составляет приблизительно 1,5D.

Задача определения напряжений в массиве грунта решалась в САПР (системе автоматизированного проектирования). Для моделирования начального напряженного состояния проведены компрессионные испытания грунтов с глубины 0,5 м, отобранных в лотке до начала статических испытаний, с целью определения наибольшего вертикального напряжения σ’p достигнутого при уплотнении по методике, изложенной в ГОСТ 121248^[4], для определения структурной прочности грунтов.

Моделирование осуществлялось при помощи упруго-пластической модели с изотропным упрочнением Hardening Soil в осесимметричной постановке. Корректировка параметров упругости модели (E_oed, E_ur, E₅₀, m) осуществлялась с помощью решения тестовых задач (имитации компрессионных испытаний)^[5]. Подобранные таким образом значения соответствуют минимальным отклонениям расчетной и реальной компрессионной кривой.

Параметры модели грунта приняты следующими:

γ = 15,1 кН/м³; E₅₀ = 1,0 Мпа; E_oed = 1,1 Мпа; E_ur = 20 Мпа; φ = 17°; с = 18 кПа; m = 0,3.

Комплексные исследования напряженно-деформированного состояния массива грунта выявили следующие особенности взаимодействия винтовой сваи с грунтом основания:

1. Экимян Н.Б. Метод расширенного подобия и его применение к моделированию работы свай// Труды науч.-исслед. ин-та оснований и подземных сооружений, 1975, №65, с. 27-34.

2. Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов: (Теория и практика применения). – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1980. – 248 с.

3. ГОСТ 5180. «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик».

4. ГОСТ 121248. «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости».

5. Schanz T., Vermeer P., Bonier P. Formulation and verification of the Hardening Soil Model // Beyond 2000 in computational geotechnics. Rotterdam: Balkema, 1999.

6. Копейкин В.С., Соломин В.И. Расчет песчаного основания с помощью физически и геометрически нелинейных уравнений/ /Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1977. - №1. – с. 30-32.