Расчет несущей способности винтовых свай, используемых в реконструкции площадки НПС-4, Ставропольский край

Компания «ГлавФундамент» приняла участие в реконструкции площадки НПС-4 (промежуточной нефтеперекачивающей станции без технологических резервуаров), расположенной в Ипатовском районе Ставропольского края. Работы проводились в рамках проекта расширения КТК («Каспийский трубопроводный консорциум»).

Перед специалистами организации стояла задача выполнить моделирование работы в глинистых грунтах свайных фундаментов, усиленных двухлопастными винтовыми сваями.

Климатические и инженерно-геологические условия площадки строительства

Площадка строительства расположена в 14 км к востоку от райцентра (г. Ипатово) и имеет следующие природно-климатические условия:

• расчетный вес снегового покрова – 0,80 кПа (I район);
• нормативное значение ветрового давления – 0,38 кПа (III район);
• нормативная глубина промерзания грунта – 0,8 м;
• сейсмичность района – 6 баллов.

В соответствии с данными инженерно-геологических изысканий площадка строительства представлена следующими грунтами:

• насыпные грунты;
• суглинки коричневые, твердые, полутвердые, пористые, известковистые, опесчаненные, ожелезненные, с включением дресвы и щебня песчаника и аргиллита, с прослоями песка пылеватого. Просадочные (тип грунтовых условий по просадочности I). Мощность слоя – 1,4-4,7 м;
• глины твердые, полутвердые, серые, серо-голубые, серо-коричневые, темно-коричневые, ожелезненные, известковистые, с гнездами гипса, с прослоями песка пылеватого, с включением щебня и дресвы песчаника и аргиллита, с прослоями ракушечника слабого. Набухающие. Мощность слоя – 0,5-5,1 м.

Расчет несущей способности винтовых свай методом конечных элементов

Винтовые сваи применяются для двух вариантов усиления:

• устройство усиления с двух сторон от стойки кабельной эстакады;
• устройство усиления с одной стороны стойки с установкой подкоса.

Первоначально для выполнения усиления была принята свая винтовая для сезоннопромерзающих грунтов широколопастная со следующими параметрами:

• диаметр лопасти – 550 мм;
• диаметр ствола – 159 мм;
• толщина стенки ствола – 5 мм;
• длина сваи – 3 000 мм.

Из-за значительной материалоемкости данной конструкции, а также с целью повышения эффективности проектного решения специалисты компании «ГлавФундамент» рекомендовали под объект сваи винтовые для сезоннопромерзающих грунтов широколопастные двухлопастные со следующими конструктивными и геометрическими параметрами:

• диаметр лопастей – 400 мм;
• конфигурация лопастей – для грунтов полутвердой консистенции;
• диаметр ствола – 133 мм;
• толщина стенки ствола – 5 мм;
• длина сваи – 3 000 мм.

Для численного моделирования работы винтовых свай были использованы системы автоматизированного проектирования (САПР), базирующиеся на методе конечных элементов (МКЭ).

Для создания конечно-элементной расчетной схемы были использованы исходные данные и параметры, соответствующие реальным условиям статических испытаний.

Моделирование выполнялось в трехмерной постановке. В качестве материала стальной сваи, бетона и арматуры принималась линейно-упругая модель. В качестве модели грунта была выбрана упругопластическая модель с критерием разрушения Кулона-Мора.

Моделировались следующие виды воздействия:

1. Исходное напряженно-деформированное состояние грунтового массива с последующим увлажнением (снижением механических свойств грунтов).

На первом этапе принимались характеристики грунтов, представленные в геологическом отчете при естественной влажности. Далее поэтапно рассчитывались дополнительные напряжения и деформации, возникающие при различном уровне замачивания грунтов основания.

2. Задание вертикальной статической нагрузки на винтовые и существующие ж/б сваи.

В результате исследований перераспределения нагрузки между элементами комбинированного фундамента в глинистом грунте были получены изополя распределения напряжений и деформаций. Максимальная осадка винтовых свай составила 3 мм, что не превышает значения, определяемого по формуле (10 мм).

Следовательно, условие обеспечения несущей способности по грунту выполняется с запасом.

Также по результатам численного моделирования для оценки прочности по материалу можно сделать вывод, что максимальные эквивалентные напряжения (185 МПа) не превышают значение расчетного сопротивления стали (235 МПа). Условие по обеспечению несущей способности стальных элементов обеспечивается с запасом.

Рекомендованные винтовые сваи были изготовлены на производственных площадках компании «ГлавФундамент» и поставлены заказчику в полном объеме.