Решением проблемы снижения материальных затрат на этапе устройства свайных фундаментов в сложных грунтовых условиях, в частности в условиях вечной мерзлоты, является разработка прогрессивных конструкций висячих свай. В статье предложен подход, направленный на рациональное использование строительных материалов при изготовлении свай. Идея технического предложения заключается в изменении формы поперечного сечения сваи с целью увеличения длины периметра, ограничивающего неизменную по величине площадь. Применение полученных результатов теоретических и лабораторных исследований при устройстве свайных фундаментов в сложных грунтовых условиях позволит уменьшить материальные затраты на изготовление самих фундаментов и сократить транспортные расходы, доля которых при освоении новых месторождений достаточно велика.
Дальнейшие перспективы развития нефтегазовой отрасли в России тесно связаны с освоением новых нефтегазоносных районов Крайнего Севера. Одним из факторов, существенно осложняющих развитие производственной инфраструктуры, помимо погодных и климатических условий, является наличие обширных территорий с наличием сложных грунтовых условий. В существующих нормативных документах регламентирован процесс реализации проекта по устройству свайных фундаментов на всех его этапах. Это касается не только особенностей инженерно-геологических изысканий на месте будущего строительства, но и непосредственно самого этапа проектирования, включающего в себя выбор принципа использования залегаемых грунтов, а также этапов строительства объекта и последующего его технического сопровождения в течение всего срока его эксплуатации вплоть до заключительного этапа - демонтажа [1]. Кроме того, актуализированные редакции действующих нормативных документов накладывают на разрабатываемые проектные решения дополнительные ограничения, связанные с вопросами экологической безопасности и охраны окружающей среды. Очевидно, что все перечисленные факторы не могут не влиять на рост материальных и временных затрат на всех этапах реализации проектов в сложных грунтовых условиях, тем самым уменьшая их инвестиционную привлекательность, а в перспективе повышая сроки их окупаемости и снижая конкурентоспособность добываемых природных ресурсов.
Решение проблемы сокращения расходов, в том числе и при устройстве грунтовых оснований и возведении фундаментов зданий и сооружений технологической инфраструктуры транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья в условиях районов Крайнего Севера, видится с одной стороны в использовании новых материалов с улучшенными потребительскими, эксплуатационными свойствами. Примером такого подхода могут служить технологии, использующие при производстве работ нулевого цикла материалы с улучшенными теплоизолирующими свойствами, что позволяет снизить не только тепловые потери при транспорте и хранении жидких углеводородов, но одновременно и обеспечить их необходимые несущие свойства [2]. Другим перспективным инженерным решением проблемы является использование прогрессивных технологий на строительной площадке, таких, как например, направленное изменение физических и механических свойств грунтов оснований [3-5]. Подобные технологии позволяют полнее использовать местные минеральные ресурсы при устройстве грунтовых оснований зданий и сооружений, возводимых вдали от источников материалов с необходимыми строительными свойствами и баз снабжения.
Не в полной мере исчерпан потенциал и конструктивного подхода в решении проблемы снижения материальных затрат при устройстве оснований и фундаментов. Именно такой подход, как правило, в большей степени адаптирован к существующим технологиям и используемым строительным машинам и механизмам и не требует значительных дополнительных капитальных вложений для его реализации. Так, например, изменение формы поперечного сечения сваи влияет на её несущую способность по грунту основания, а изменение формы нагрузки на грунты основания может значимым образом влиять на устойчивость зданий и сооружений [6-9]. Именно такой инженерный подход и предлагается для решения комплексной проблемы возможно полного использования строительных материалов и одновременного сокращения транспортных расходов при устройстве свайных фундаментов в сложных грунтовых условиях.
Постановка задачи
Решение проблемы рационального использования строительных материалов при устройстве свайных фундаментов объектов нефтегазовой отрасли в сложных грунтовых условиях может быть реализовано в поиске новых конструкций свай, обеспечивающих без дополнительных материальных затрат бóльшую несущую способность при одновременном обеспечении технологических требований их изготовления.
Теоретические исследования
В соответствии с действующими нормативными документами несущая способность основания Fu вертикально нагруженной висячей сваи при использовании, например, многолетнемерзлых грунтов по принципу I определяется по формуле [1]:
(1)
где γt — температурный коэффициент, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха; γc — коэффициент условий работы основания; R — расчетное сопротивление мёрзлого грунта под нижним концом сваи, кПа; A — площадь опирания сваи на грунт, м2; Raf,i — расчетное сопротивление мёрзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи в пределах i-го слоя грунта, кПа; Aaf,i — площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, м2; n - число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.
В свою очередь, несущая способность Fd забивных свай трения, работающих на сжимающую нагрузку, при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II определяется по формуле [10]:
(2)
где γc — коэффициент условий работы сваи в грунте; γcR — коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи; R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; A — площадь опирания сваи, м2; u — наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м; γcf — коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи; fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа; hi — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.
Несущая способность Fd набивных свай трения, работающих на сжимающую нагрузку, при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II определяется по формуле [10]:
(3)
Анализ зависимостей (1)-(3) позволяет определить перспективные направления повышения несущей способности висячих свай, работающих в многолетнемерзлых грунтах, при использовании последних как по принципу I, так и по принципу II. Одним из таких направлений может быть увеличение площади боковой поверхности сваи, контактирующей с грунтом, без увеличения площади её поперечного сечения, что позволяет при неизменности длины сваи обеспечивать одинаковый расход строительных материалов для изготовления сваи. Очевидно, что увеличение площади контакта «боковая поверхность сваи-грунт», в свою очередь, обеспечивается увеличением длины периметра поперечного сечения. В формуле (1), в отличие от формул (2) и (3), значение периметра отсутствует в явном виде. Тем не менее, зная площадь поверхности смерзания грунта с боковой поверхностью сваи и глубину её погружения в многолетнемерзлый грунт, можно выполнить расчет данного параметра.
Для подтверждения предположения о влиянии формы поперечного сечения на несущую способность висячей сваи, работающей в многолетнемерзлых грунтах, был выполнен сравнительный расчёт. В качестве исходных данных для расчёта несущей способности вертикально нагруженной висячей сваи были использованы геометрические размеры сваи С100.35-А800 [11]. С учётом равенства площадей поперечного сечения исследуемых свай были рассчитаны геометрические размеры двух других сечений: круглого и треугольного.
При выполнении сравнительного расчёта по формуле (1) несущей способности основания Fu вертикально нагруженных висячих свай, используемых в многолетнемерзлых грунтах по принципу I [1], были приняты следующие начальные условия и допущения:
· рассматриваемые сваи имеют одинаковую длину и равные площади поперечного сечения, что с удовлетворительной достоверностью обеспечивает примерно равный расход материалов на их изготовление;
· многолетнемерзлые грунты основания однородны по составу и представлены незасоленными суглинками и глинами, с льдистостью ii<0,2, температура грунта не изменяется с глубиной и равна Т0=−1°С;
· расчётные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов приняты по справочным таблицам [1];
· в расчётах безразмерный температурный коэффициент γt, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха, принят равным единице γt =1.
Результаты расчётов представлены графически на рисунке 1.
РИС.1 Влияние формы поперечного сечения вертикально нагруженных висячих свай, используемых в многолетнемерзлых грунтах по принципу I, на их несущую способность по грунту основани
При выполнении сравнительного расчёта по формулам (2) и (3) несущей способности Fd соответственно забивных и набивных свай трения, работающих на сжимающую нагрузку и используемых по принципу II [10], были приняты следующие начальные условия и допущения:
· рассматриваемые сваи имеют одинаковую длину и равные площади поперечного сечения, что с удовлетворительной достоверностью обеспечивает примерно равный расход материалов на их изготовление;
· основания однородны по составу и представлены глинистыми грунтами с показателем текучести IL=0,3;
· расчётные сопротивления грунта под нижним концом сваи и на боковой поверхности приняты по справочным таблицам [10].
Результаты расчётов несущей способности Fd для забивных свай трения представлены графически на рисунке 2, для набивных свай трения - на рисунке 3.
РИС.2 Влияние формы поперечного сечения вертикально нагруженных висячих забивных свай трения, используемых по принципу II, на их несущую способность по грунту основания
РИС.3 Влияние формы поперечного сечения вертикально нагруженных висячих набивных свай трения, используемых по принципу II, на их несущую способность по грунту основания
Лабораторные исследования
На базе научно-исследовательской лаборатории «Основания и фундаменты объектов нефтегазовой отрасли» кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» Омского государственного технического университета были проведены стендовые испытания моделей свай (см. рисунок 4). В качестве формы поперечного сечения моделей были использованы круг, квадрат и равносторонний треугольник. В лабораторных исследованиях были использованы модели, изготовленные, как из бетона, так и из дерева (см. рисунок 5). Обязательным условием при изготовлении моделей из выбранного материала было соответственно равенство между собой площадей поперечного сечения и длин моделей:
(4)
где A — площадь поперечного сечения соответствующей формы модели, м2; L — длина модели, м. Как для моделей, изготовленных из бетона, так и для моделей, изготовленных из дерева, площадь поперечного сечения A равнялась 0,001024 м2, а длина моделей L составила 0,240 м.
РИС.4 Лабораторный стенд для изучения усилий, возникающих в процессе погружения/извлечения моделей свай различной конструкции
Условия нагружения модели имитировали погружение сваи вдавливанием в дисперсный несвязный грунт (принцип II). В качестве дисперсного несвязного грунта был использован воздушно-сухой песчаный грунт средней крупности. Скорость погружения для всех моделей была постоянной и равнялась 1,25·10-3 м/с.
РИС.5 Модели свай, изготовленные из бетона (А) и дерева (Б)
В ходе лабораторных исследований при погружении моделей в песчаный грунт регистрировалось изменение усилия вдавливания (см. рисунок 6).
РИС.6 Изменение усилия вдавливания с течением времени для моделей свай, изготовленных из дерева, с различной формой поперечного сечения
Обсуждение
Ранее выполненными исследованиями была показана принципиальная возможность повышения несущей способности висячих свай по грунту основания [12]. Для анализа перспектив использования поперечных сечений свай, отличных от традиционных форм, таких как круг и квадрат, предлагается использовать численный параметр, характеризующий отношение периметра к площади, им ограничиваемой – u/A (см. рисунок 7). Очевидно, что чем больше его величина, тем большее расчётное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи будет достигнуто.
РИС.7 Влияние числа сторон N равностороннего N-угольника на отношение u/A для различных площадей поперечного сечения свай (по ГОСТ 19804-2012)
Как видно из представленных графиков, наибольший выигрыш по несущей способности сваи за счёт её боковой поверхности будет достигнут при использовании в качестве формы поперечного сечения равностороннего треугольника. Рост величины параметра u/A для треугольника по сравнению с квадратом составляет 14%, по сравнению с кругом – 28,6%. В то же время рост величины параметра u/A для квадрата по сравнению с кругом составляет всего 12,8%. Очевидно, что полученные численные данные характеризуют максимальное, достижимое только теоретически, значение возможного увеличения несущей способности висячей сваи.
По результатам выполненных расчётов на основе существующих инженерных методик (1)-(3) было уточнено, вне зависимости от принципа использования многолетнемерзлого грунта, влияние формы поперечного сечения сваи на её несущую способность (см. таблицу 1).
Таблица 1. Несущая способность висячих свай по грунту основания
Анализ полученных данных подтверждает значимое увеличение несущей способности висячей сваи и перспективность при использовании в качестве поперечного сечения равностороннего треугольника в сравнении, как с круглым, так и с квадратным сечениями. Имеющий место разброс полученных значений увеличения несущей способности сваи обусловлен не только принципом использования многолетнемерзлых грунтов, но и самими грунтами (их составом и свойствами), а также геометрическими параметрами сваи, характером применяемых для устройства свайных фундаментов технологий и рядом других факторов.
Полученные теоретические данные получили подтверждение в ходе выполнения лабораторных исследований с моделями свай, имеющих различную форму поперечного сечения (см. таблицу 2).
Таблица 2. Максимальное усилие вдавливания моделей свай в песчаный грунт
Как видно из представленных данных, наибольший прирост в 26,7% максимального усилия вдавливания по сравнению с цилиндрической моделью наблюдался при испытании модели с треугольным поперечным сечением. У модели с квадратным поперечным сечением этот прирост составил всего 12%. Наблюдаемый прирост максимального усилия вдавливания для модели с треугольным сечением по сравнению с моделью имеющей квадратной сечение составил 13,1%.
Заключение
Решение проблемы снижения капитальных затрат на этапе строительства зданий и сооружений технологической инфраструктуры нефтяной и газовой отрасли возможно, в том числе, и благодаря внедрению прогрессивных конструкций свайных фундаментов [13,14]. Результаты выполненных исследований позволяют сделать вывод о перспективности использования прогрессивных конструкций висячих свай с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника в условиях многолетнемерзлых грунтов. Предлагаемое конструктивное решение позволяет рационально использовать строительные материалы, обеспечивая одновременно снижение массы изделия без ухудшения его эксплуатационных свойств. Уменьшение массы изделия, в свою очередь, приведёт к снижению транспортных расходов, доля которых при освоении новых месторождений традиционно достаточно велика. Кроме того, необходимо отметить и такое важное качество предлагаемого решения, как простота технологии изготовления свай с треугольным поперечным сечением, что, очевидно, должно способствовать быстрому и безболезненному освоению производством новой продукции.
Литература
[1] СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88».
[2] Gruzin, A. V. The Artificial Additives Effect to Soil Deformation Characteristics of Oil and Oil Products Storage Tanks Foundation / A.V. Gruzin, V.V. Tokarev, V.V. Shalai, Yu.V. Logunova // Procedia Engineering. – 2015. – №113. – pp. 158-168. – DOI: 10.1016/j.proeng.2015.07.311.
[3] Абраменков Д.Э., Грузин А.В., Грузин В.В., Нуждин Л.В. Технология и механизация подготовки оснований и устройства свайных фундаментов / Под общ. ред. В.В.Грузина. – Караганда: Болашак-Баспа, 2002. – 264 с.
[4] Абраменков, Д. Э. Средства механизации и технология строительного производства: монография / Д.Э. Абраменков, А.В. Грузин, В.В. Грузин ; под общ. ред. д.т.н., проф. Э.А. Абраменкова. – Saarbrucken, Germany: Рalmarium academic publishing, 2012. – 327 с.
[5] Gruzin, A. V. Theoretical researches of rammer’s operating element dynamics in a soil foundation of oil and oil products storage tank / A.V. Gruzin, V.V. Gruzin, V.V. Shalay // Procedia Engineering. – 2016. – №152. – pp. 182-189. – DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.689.
[6] Русанова А.Д. Забивная свая повышенной несущей способности / А.Д. Русанова, А.Ю. Ваганов, Е.О. Фомин, А.В. Грузин // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. – 2015. – №2. – С.131–135.
[7] Грузин, А. В. Влияние геометрии фундаментов объектов трубопроводного транспорта углеводородов на пространственное распределение сжимающих напряжений в их грунтовых основаниях / А. В. Грузин, В. В. Грузин // Деловой журнал Neftegaz.RU. – М.: ООО Инф. агентство Нефтегаз.РУ интернэшнл. – 2017. – №12. – С.18–25.
[8] Gruzin, A. V. Method of the cast-in-place friction pile well walls local soil compaction [Electronic resource] / A. V. Gruzin, V. V. Gruzin // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1050. – DOI: 10.1088/1742-6596/1050/1/012031.
[9] Грузин А. В., Грузин В. В. Приём локального уплотнения грунта стенок скважины висячей набивной сваи // Проблемы машиноведения: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. (Россия, Омск, 27-28 февр. 2018 г.). – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2018. – С. 50-55.
[10] СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85».
[11] ГОСТ19804-2012 «Сваи железобетонные заводского изготовления. Общие технические условия».
[12] Грузин А.В., Грузин В.В. Анализ удельной несущей способности свай с различной формой поперечного сечения. // Актуальные проблемы современности: Международный научный журнал. – Караганда: Болашак-Баспа, 2009. – №12(46). – С. 27–30.
[13] Свая : иннов. пат. 29424 Республика Казахстан, МПК7 E02D 5/30, E02D 27/35 / В. В. Грузин, А. В. Грузин, А. П. Ищенко, Л. С. Щеглов, В. М. Смирнов, Т. К. Балгабеков; заявитель и патентообладатель АО «Казахский агротехнический университет им С. Сейфуллина. – №2014/0112.1; заявл. 03.02.14; опубл. 25.12.14., Бюл. №12. – 1 с.: ил.
[14] Свая : пат. 2594499 Российская Федерация, МПК7 Е02D 5/30 / А. В. Грузин, А. Д. Русанова, Л. Б. Антропова, А. Ю. Ваганов, Е. О. Фомин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет». – № 2015111914/03; заявл. 01.04.15; опубл. 20.08.16, Бюл. № 23. – 1 с.: ил.
Дальнейшие перспективы развития нефтегазовой отрасли в России тесно связаны с освоением новых нефтегазоносных районов Крайнего Севера. Одним из факторов, существенно осложняющих развитие производственной инфраструктуры, помимо погодных и климатических условий, является наличие обширных территорий с наличием сложных грунтовых условий. В существующих нормативных документах регламентирован процесс реализации проекта по устройству свайных фундаментов на всех его этапах. Это касается не только особенностей инженерно-геологических изысканий на месте будущего строительства, но и непосредственно самого этапа проектирования, включающего в себя выбор принципа использования залегаемых грунтов, а также этапов строительства объекта и последующего его технического сопровождения в течение всего срока его эксплуатации вплоть до заключительного этапа - демонтажа [1]. Кроме того, актуализированные редакции действующих нормативных документов накладывают на разрабатываемые проектные решения дополнительные ограничения, связанные с вопросами экологической безопасности и охраны окружающей среды. Очевидно, что все перечисленные факторы не могут не влиять на рост материальных и временных затрат на всех этапах реализации проектов в сложных грунтовых условиях, тем самым уменьшая их инвестиционную привлекательность, а в перспективе повышая сроки их окупаемости и снижая конкурентоспособность добываемых природных ресурсов.
Решение проблемы сокращения расходов, в том числе и при устройстве грунтовых оснований и возведении фундаментов зданий и сооружений технологической инфраструктуры транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья в условиях районов Крайнего Севера, видится с одной стороны в использовании новых материалов с улучшенными потребительскими, эксплуатационными свойствами. Примером такого подхода могут служить технологии, использующие при производстве работ нулевого цикла материалы с улучшенными теплоизолирующими свойствами, что позволяет снизить не только тепловые потери при транспорте и хранении жидких углеводородов, но одновременно и обеспечить их необходимые несущие свойства [2]. Другим перспективным инженерным решением проблемы является использование прогрессивных технологий на строительной площадке, таких, как например, направленное изменение физических и механических свойств грунтов оснований [3-5]. Подобные технологии позволяют полнее использовать местные минеральные ресурсы при устройстве грунтовых оснований зданий и сооружений, возводимых вдали от источников материалов с необходимыми строительными свойствами и баз снабжения.
Не в полной мере исчерпан потенциал и конструктивного подхода в решении проблемы снижения материальных затрат при устройстве оснований и фундаментов. Именно такой подход, как правило, в большей степени адаптирован к существующим технологиям и используемым строительным машинам и механизмам и не требует значительных дополнительных капитальных вложений для его реализации. Так, например, изменение формы поперечного сечения сваи влияет на её несущую способность по грунту основания, а изменение формы нагрузки на грунты основания может значимым образом влиять на устойчивость зданий и сооружений [6-9]. Именно такой инженерный подход и предлагается для решения комплексной проблемы возможно полного использования строительных материалов и одновременного сокращения транспортных расходов при устройстве свайных фундаментов в сложных грунтовых условиях.
Постановка задачи
Решение проблемы рационального использования строительных материалов при устройстве свайных фундаментов объектов нефтегазовой отрасли в сложных грунтовых условиях может быть реализовано в поиске новых конструкций свай, обеспечивающих без дополнительных материальных затрат бóльшую несущую способность при одновременном обеспечении технологических требований их изготовления.
Теоретические исследования
В соответствии с действующими нормативными документами несущая способность основания Fu вертикально нагруженной висячей сваи при использовании, например, многолетнемерзлых грунтов по принципу I определяется по формуле [1]:
(1)
где γt — температурный коэффициент, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха; γc — коэффициент условий работы основания; R — расчетное сопротивление мёрзлого грунта под нижним концом сваи, кПа; A — площадь опирания сваи на грунт, м2; Raf,i — расчетное сопротивление мёрзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи в пределах i-го слоя грунта, кПа; Aaf,i — площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, м2; n - число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.
В свою очередь, несущая способность Fd забивных свай трения, работающих на сжимающую нагрузку, при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II определяется по формуле [10]:
(2)
где γc — коэффициент условий работы сваи в грунте; γcR — коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи; R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; A — площадь опирания сваи, м2; u — наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м; γcf — коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи; fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа; hi — толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м.
Несущая способность Fd набивных свай трения, работающих на сжимающую нагрузку, при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II определяется по формуле [10]:
(3)
Анализ зависимостей (1)-(3) позволяет определить перспективные направления повышения несущей способности висячих свай, работающих в многолетнемерзлых грунтах, при использовании последних как по принципу I, так и по принципу II. Одним из таких направлений может быть увеличение площади боковой поверхности сваи, контактирующей с грунтом, без увеличения площади её поперечного сечения, что позволяет при неизменности длины сваи обеспечивать одинаковый расход строительных материалов для изготовления сваи. Очевидно, что увеличение площади контакта «боковая поверхность сваи-грунт», в свою очередь, обеспечивается увеличением длины периметра поперечного сечения. В формуле (1), в отличие от формул (2) и (3), значение периметра отсутствует в явном виде. Тем не менее, зная площадь поверхности смерзания грунта с боковой поверхностью сваи и глубину её погружения в многолетнемерзлый грунт, можно выполнить расчет данного параметра.
Для подтверждения предположения о влиянии формы поперечного сечения на несущую способность висячей сваи, работающей в многолетнемерзлых грунтах, был выполнен сравнительный расчёт. В качестве исходных данных для расчёта несущей способности вертикально нагруженной висячей сваи были использованы геометрические размеры сваи С100.35-А800 [11]. С учётом равенства площадей поперечного сечения исследуемых свай были рассчитаны геометрические размеры двух других сечений: круглого и треугольного.
При выполнении сравнительного расчёта по формуле (1) несущей способности основания Fu вертикально нагруженных висячих свай, используемых в многолетнемерзлых грунтах по принципу I [1], были приняты следующие начальные условия и допущения:
· рассматриваемые сваи имеют одинаковую длину и равные площади поперечного сечения, что с удовлетворительной достоверностью обеспечивает примерно равный расход материалов на их изготовление;
· многолетнемерзлые грунты основания однородны по составу и представлены незасоленными суглинками и глинами, с льдистостью ii<0,2, температура грунта не изменяется с глубиной и равна Т0=−1°С;
· расчётные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов приняты по справочным таблицам [1];
· в расчётах безразмерный температурный коэффициент γt, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха, принят равным единице γt =1.
Результаты расчётов представлены графически на рисунке 1.
РИС.1 Влияние формы поперечного сечения вертикально нагруженных висячих свай, используемых в многолетнемерзлых грунтах по принципу I, на их несущую способность по грунту основани
При выполнении сравнительного расчёта по формулам (2) и (3) несущей способности Fd соответственно забивных и набивных свай трения, работающих на сжимающую нагрузку и используемых по принципу II [10], были приняты следующие начальные условия и допущения:
· рассматриваемые сваи имеют одинаковую длину и равные площади поперечного сечения, что с удовлетворительной достоверностью обеспечивает примерно равный расход материалов на их изготовление;
· основания однородны по составу и представлены глинистыми грунтами с показателем текучести IL=0,3;
· расчётные сопротивления грунта под нижним концом сваи и на боковой поверхности приняты по справочным таблицам [10].
Результаты расчётов несущей способности Fd для забивных свай трения представлены графически на рисунке 2, для набивных свай трения - на рисунке 3.
РИС.2 Влияние формы поперечного сечения вертикально нагруженных висячих забивных свай трения, используемых по принципу II, на их несущую способность по грунту основания
РИС.3 Влияние формы поперечного сечения вертикально нагруженных висячих набивных свай трения, используемых по принципу II, на их несущую способность по грунту основания
Лабораторные исследования
На базе научно-исследовательской лаборатории «Основания и фундаменты объектов нефтегазовой отрасли» кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» Омского государственного технического университета были проведены стендовые испытания моделей свай (см. рисунок 4). В качестве формы поперечного сечения моделей были использованы круг, квадрат и равносторонний треугольник. В лабораторных исследованиях были использованы модели, изготовленные, как из бетона, так и из дерева (см. рисунок 5). Обязательным условием при изготовлении моделей из выбранного материала было соответственно равенство между собой площадей поперечного сечения и длин моделей:
(4)
где A — площадь поперечного сечения соответствующей формы модели, м2; L — длина модели, м. Как для моделей, изготовленных из бетона, так и для моделей, изготовленных из дерева, площадь поперечного сечения A равнялась 0,001024 м2, а длина моделей L составила 0,240 м.
РИС.4 Лабораторный стенд для изучения усилий, возникающих в процессе погружения/извлечения моделей свай различной конструкции
Условия нагружения модели имитировали погружение сваи вдавливанием в дисперсный несвязный грунт (принцип II). В качестве дисперсного несвязного грунта был использован воздушно-сухой песчаный грунт средней крупности. Скорость погружения для всех моделей была постоянной и равнялась 1,25·10-3 м/с.
РИС.5 Модели свай, изготовленные из бетона (А) и дерева (Б)
В ходе лабораторных исследований при погружении моделей в песчаный грунт регистрировалось изменение усилия вдавливания (см. рисунок 6).
РИС.6 Изменение усилия вдавливания с течением времени для моделей свай, изготовленных из дерева, с различной формой поперечного сечения
Обсуждение
Ранее выполненными исследованиями была показана принципиальная возможность повышения несущей способности висячих свай по грунту основания [12]. Для анализа перспектив использования поперечных сечений свай, отличных от традиционных форм, таких как круг и квадрат, предлагается использовать численный параметр, характеризующий отношение периметра к площади, им ограничиваемой – u/A (см. рисунок 7). Очевидно, что чем больше его величина, тем большее расчётное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи будет достигнуто.
РИС.7 Влияние числа сторон N равностороннего N-угольника на отношение u/A для различных площадей поперечного сечения свай (по ГОСТ 19804-2012)
Как видно из представленных графиков, наибольший выигрыш по несущей способности сваи за счёт её боковой поверхности будет достигнут при использовании в качестве формы поперечного сечения равностороннего треугольника. Рост величины параметра u/A для треугольника по сравнению с квадратом составляет 14%, по сравнению с кругом – 28,6%. В то же время рост величины параметра u/A для квадрата по сравнению с кругом составляет всего 12,8%. Очевидно, что полученные численные данные характеризуют максимальное, достижимое только теоретически, значение возможного увеличения несущей способности висячей сваи.
По результатам выполненных расчётов на основе существующих инженерных методик (1)-(3) было уточнено, вне зависимости от принципа использования многолетнемерзлого грунта, влияние формы поперечного сечения сваи на её несущую способность (см. таблицу 1).
Таблица 1. Несущая способность висячих свай по грунту основания
Анализ полученных данных подтверждает значимое увеличение несущей способности висячей сваи и перспективность при использовании в качестве поперечного сечения равностороннего треугольника в сравнении, как с круглым, так и с квадратным сечениями. Имеющий место разброс полученных значений увеличения несущей способности сваи обусловлен не только принципом использования многолетнемерзлых грунтов, но и самими грунтами (их составом и свойствами), а также геометрическими параметрами сваи, характером применяемых для устройства свайных фундаментов технологий и рядом других факторов.
Полученные теоретические данные получили подтверждение в ходе выполнения лабораторных исследований с моделями свай, имеющих различную форму поперечного сечения (см. таблицу 2).
Таблица 2. Максимальное усилие вдавливания моделей свай в песчаный грунт
Как видно из представленных данных, наибольший прирост в 26,7% максимального усилия вдавливания по сравнению с цилиндрической моделью наблюдался при испытании модели с треугольным поперечным сечением. У модели с квадратным поперечным сечением этот прирост составил всего 12%. Наблюдаемый прирост максимального усилия вдавливания для модели с треугольным сечением по сравнению с моделью имеющей квадратной сечение составил 13,1%.
Заключение
Решение проблемы снижения капитальных затрат на этапе строительства зданий и сооружений технологической инфраструктуры нефтяной и газовой отрасли возможно, в том числе, и благодаря внедрению прогрессивных конструкций свайных фундаментов [13,14]. Результаты выполненных исследований позволяют сделать вывод о перспективности использования прогрессивных конструкций висячих свай с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника в условиях многолетнемерзлых грунтов. Предлагаемое конструктивное решение позволяет рационально использовать строительные материалы, обеспечивая одновременно снижение массы изделия без ухудшения его эксплуатационных свойств. Уменьшение массы изделия, в свою очередь, приведёт к снижению транспортных расходов, доля которых при освоении новых месторождений традиционно достаточно велика. Кроме того, необходимо отметить и такое важное качество предлагаемого решения, как простота технологии изготовления свай с треугольным поперечным сечением, что, очевидно, должно способствовать быстрому и безболезненному освоению производством новой продукции.
Литература
[1] СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88».
[2] Gruzin, A. V. The Artificial Additives Effect to Soil Deformation Characteristics of Oil and Oil Products Storage Tanks Foundation / A.V. Gruzin, V.V. Tokarev, V.V. Shalai, Yu.V. Logunova // Procedia Engineering. – 2015. – №113. – pp. 158-168. – DOI: 10.1016/j.proeng.2015.07.311.
[3] Абраменков Д.Э., Грузин А.В., Грузин В.В., Нуждин Л.В. Технология и механизация подготовки оснований и устройства свайных фундаментов / Под общ. ред. В.В.Грузина. – Караганда: Болашак-Баспа, 2002. – 264 с.
[4] Абраменков, Д. Э. Средства механизации и технология строительного производства: монография / Д.Э. Абраменков, А.В. Грузин, В.В. Грузин ; под общ. ред. д.т.н., проф. Э.А. Абраменкова. – Saarbrucken, Germany: Рalmarium academic publishing, 2012. – 327 с.
[5] Gruzin, A. V. Theoretical researches of rammer’s operating element dynamics in a soil foundation of oil and oil products storage tank / A.V. Gruzin, V.V. Gruzin, V.V. Shalay // Procedia Engineering. – 2016. – №152. – pp. 182-189. – DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.689.
[6] Русанова А.Д. Забивная свая повышенной несущей способности / А.Д. Русанова, А.Ю. Ваганов, Е.О. Фомин, А.В. Грузин // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. – 2015. – №2. – С.131–135.
[7] Грузин, А. В. Влияние геометрии фундаментов объектов трубопроводного транспорта углеводородов на пространственное распределение сжимающих напряжений в их грунтовых основаниях / А. В. Грузин, В. В. Грузин // Деловой журнал Neftegaz.RU. – М.: ООО Инф. агентство Нефтегаз.РУ интернэшнл. – 2017. – №12. – С.18–25.
[8] Gruzin, A. V. Method of the cast-in-place friction pile well walls local soil compaction [Electronic resource] / A. V. Gruzin, V. V. Gruzin // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1050. – DOI: 10.1088/1742-6596/1050/1/012031.
[9] Грузин А. В., Грузин В. В. Приём локального уплотнения грунта стенок скважины висячей набивной сваи // Проблемы машиноведения: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. (Россия, Омск, 27-28 февр. 2018 г.). – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2018. – С. 50-55.
[10] СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85».
[11] ГОСТ19804-2012 «Сваи железобетонные заводского изготовления. Общие технические условия».
[12] Грузин А.В., Грузин В.В. Анализ удельной несущей способности свай с различной формой поперечного сечения. // Актуальные проблемы современности: Международный научный журнал. – Караганда: Болашак-Баспа, 2009. – №12(46). – С. 27–30.
[13] Свая : иннов. пат. 29424 Республика Казахстан, МПК7 E02D 5/30, E02D 27/35 / В. В. Грузин, А. В. Грузин, А. П. Ищенко, Л. С. Щеглов, В. М. Смирнов, Т. К. Балгабеков; заявитель и патентообладатель АО «Казахский агротехнический университет им С. Сейфуллина. – №2014/0112.1; заявл. 03.02.14; опубл. 25.12.14., Бюл. №12. – 1 с.: ил.
[14] Свая : пат. 2594499 Российская Федерация, МПК7 Е02D 5/30 / А. В. Грузин, А. Д. Русанова, Л. Б. Антропова, А. Ю. Ваганов, Е. О. Фомин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет». – № 2015111914/03; заявл. 01.04.15; опубл. 20.08.16, Бюл. № 23. – 1 с.: ил.
