Главная → Статьи

Устройство уширенного основания оболочек

Несущая способность свай-оболочек и колодцев-оболочек, опираемых на толщу сжимаемых, и особенно глинистых грунтов, в значительной степени зависит от величины лобового сопротивления грунтового основания. Увеличение площади подошвы оболочек только за счет увеличения их диаметра приводит к недоиспользованию прочности материала оболочек и удорожанию стоимости сооружения.

Обеспечить равнопрочность оболочек по несущей способности грунтов и по прочности их материала можно, если создать уширенное основание в подошве оболочек.

Уширенное основание можно образовать тремя способами:
1) специальным агрегатом-уширителем, снабженным гидравлическими механизмами для раскрытия и закрытия ножей;
2) взрывом зарядов — камуфлетированием;
3) вибротрамбованием.

Первый способ описан в главе IV при описании бурения скважин.

Второй способ — камуфлетирование — широко применяется в мостостроении. Наибольшее применение он нашел при строительстве фундаментов на сваях, погружаемых с закрытым концом, т. е. для свай небольших размеров.

Камуфлетирование оболочек больших размеров исследовано еще недостаточно, однако оно уже применено на нескольких строительствах. Первым опытом является камуфлетирование железобетонных оболочек диаметром 92 см, выполненное в 1953 г. В 1957 г. инженеры К. С. Силин и Н. М. Глотов предложили метод образования уширенного основания оболочек больших размеров путем взрыва кольцевых зарядов взрывчатых веществ, расположенных по периметру оболочек. Применение кольцевых зарядов вместо сосредоточенных позволяет резко снизить вес зарядов и расширяет зону камуфлетного уширения далеко за пределы оболочки. Кроме того, кольцевое расположение зарядов уменьшает зону повреждения камуфлетируемой оболочки.

Производственные опыты по устройству камуфлетного уширения при помощи кольцевых зарядов подтверждают целесообразность предложенного метода.

Камуфлетирование оболочек диаметром 1,16 м применено в 1959 г., причем в результате детального обследования выявлено много интересных особенностей. Оболочки были погружены в мягкопластичные глины на глубину 16—18 м вибропогружателем ВП-3.

До камуфлетирования одна из оболочек была испытана статической нагрузкой. Испытание оболочки производили в два этапа. На первом этапе определяли только силу трения, на втором — полное сопротивление оболочки по грунту. Испытания проводили 500-тонным домкратом. В результате были получены предельное сопротивление по трению 24 т/м2 (критическая нагрузка 171 г и предельная 146 т) и предельное лобовое сопротивление 59 т/м2 (критическая нагрузка 226 т и предельная 213 г). Коэффициент запаса составлял около 1,2, что было признано недостаточным. Попытка погрузить оболочку на большую глубину вибропогружателем ВП-3 не дала положительного результата, а применять вибропогружатель большой мощности в то время не представилось возможным. Чтобы увеличить несущую способность оболочек, пришлось применить камуфлетиро-вание и вибротрамбование.

Камуфлетирование произведено по следующей технологии: грунт разрабатывали ниже ножа оболочки на 0,5—0,6 м; заряд аммонита весом от 5 до 16 кг опускали в водонепроницаемом ящике и пригружали песком слоем до 2 м и слоем воды до верха оболочки или только слоем воды 16—20 м вместо бетонной смеси, обычно применяемой в практике камуфлетирования; после взрыва внутреннюю полость оболочек заполняли бетонной смесью.

Вначале камуфлетирование было произведено на трех оболочках, и средняя из них была испытана статической нагрузкой. Вес заряда был определен из расчета получения диаметра уши-рения 2,3 м и равнялся 5 кг. Взрыв был произведен под пригрузкой песка высотой 2 м и воды, заполняющей оболочку до верха. Испытание оболочки показало критическую нагрузку 332 т, а предельную — 308 т, т. е. несущая способность повысилась на 45%. В дальнейшем камуфлетирование производили с увеличением веса заряда до 16 кг и под пригрузкой только столба воды. Три оболочки были обследованы. В результате установлен характер разрушения оболочки от взрыва, размер камуфлетно-го уширения и другие явления.

Характерной особенностью разрушения обследованных оболочек является сужение их диаметра на 6—10 см на участке около 1,5 м. Наличие участ-ка с сужением показывают, что большая часть энергии взрыва концентрировалась вокруг ство—ла оболочки, и оболочка разрушалась от огромной силы сжатия. Обследование размера и формы уширения после взрыва показало, что, несмотря на большой вес заряда (до 16 кг), камуфлетное уширение в обследованных оболочках не получилось. Некоторые специалисты этот факт объясняют неправильной технологией камуфлетирования, примененной на этом строительстве, т. е. тем, что пригрузка производилась не бетонной смесью, а столбом воды. Однако это объяснение не раскрывает физических явлений, происходящих в грунте от взрыва заряда. При взрыве 1 кг аммонита выделяется около 10 м3 раскаленного газа с температурой около 5000°. При этой температуре газа и энергии удара грунтовая масса может уплотняться за счет уменьшения объема воздуха в порах грунта. Часть твердых частиц грунта при взрыве превращается в газообразное состояние. Таким образом, наибольший эффект от камуфлетирования можно получить в грунтах, где имеются прежде всего свободные поры, которые заполнены воздухом или газом. Если все поры заполнены водой, то эффект камуфлетирования снижается, так как в этом случае камуфлетное уширение получается только за счет объема пространства, занятого грунтом и водой, которые при высокой температуре превратились в газообразное и парообразное состояние. При анализе этого явления надо иметь в виду, что вода не уплотняется, а газ или воздух легко сжимаются.

В описываемом случае мягкопластичная глина была водона-сыщена, и камуфлетирование не дало нужного эффекта, т. е. камуфлетного уширения не получилось. Большая часть газа выходила наружу через столб воды, увлекая ее за собой.

Увеличение веса заряда с 5 до 16 кг не повлияло на величину камуфлетного уширения и на несущую способность оболочек. Наибольший эффект получен при наименьшем весе заряда — 5 кг. Увеличение несущей способности оболочек в результате камуфлетирования, несмотря на отсутствие уширения, объясняется увеличением силы трения по боковой поверхности ствола сваи. Во время вибропогружения оболочек мягкопластичные глины разжижались, а при выделении газа высокой температуры снова уплотнились, отдав избыточную воду на испарение.

Сплошной линией показано углубление до камуфлетирования, пунктирной — уширение после камуфлетирования

При камуфлетировании установлено, что уровень воды в оболочке до и после взрыва не определяет объема камуфлетного уширения. Так, например, на одной оболочке уровень воды после взрыва упал на 3,5 м (по объему 2,4 м3), а камуфлетного уширения получено не было. Это можно объяснить процессом парообразования воды.

Метод вибротрамбования впервые опробован по предложению канд. техн. наук И. А. Тена. Суть его заключается в устройстве уширенного основания из щебня или гравия, которые трамбуются при помощи виброударного механизма. Для вибротрамбования требуются вибропогружатель и штанга простой конструкции, жестко соединенная с вибропогружателем. В результате действия удара большого импульса трамбуемый материал (щебень или гравий) образует уплотненную подушку.

Процесс вибротрамбования проходил в следующей последовательности:
— после погружения оболочки до проектной глубины и извлечения из нее грунта опускали первую порцию щебня или гравия слоем 1 —1,5 м;
— затем опускали штангу с жестко закрепленным вибропогружателем наверху и трамбовкой внизу;
— включали вибропогружатель и начинали трамбование; – при этом сила удара была равна суммарному весу вибропогружателя, наголовника, штанги и возмущающей силы;
— первая порция трамбуемого материала объемом 1,5 м3 утрамбовывалась в течение 2—5 мин. работы вибропогружателя; дальнейшее трамбование производили с добавлением трамбуемого материала небольшими порциями; объем последующей загрузки назначался меньший, чем первой, и постепенно уменьшался к концу вибротрамбования.

Вибротрамбование заканчивали при наступлении «отказа», т. е. тогда, когда штанга переставала опускаться.

В 15 сваях-оболочках всего было втрамбовано около 35 м3 Щебня с наибольшим количеством 2,9 м3 и с наименьшим 1,5 м3.

Штанга представляет собой стальную трубу, составленную из нескольких секций с фланцевыми соединениями диаметром 0,5 м и более в зависимости от диаметра оболочек. Длина штанги должна быть несколько больше, чем длина оболочки.

Вибропогружатель со штангой объединяют, так же как с оболочкой, при помощи наголовника на фланцах с болтами. Внизу штанги имеется трамбовка из двух стальных листов с Ребрами жесткости. Диаметр трамбовки несколько (на 5—10 см) меньше, чем внутренний диаметр оболочки.

Вес штанги должен быть больше, чем вес вибропогружателя, в 1,5—2 раза. Для этого внутреннюю полость штанги заполняют бетоном или щебнем. При весе штанги меньшем, чем вес вибропогружателя, удары получаются неритмичными, штанга подпрыгивает, что снижает эффект вибротрамбования.

При вибротрамбовании происходит сложный процесс: уплотнение грунтового основания за счет вытеснения избыточной воды и воздуха; замена мелких частиц грунтового основания крупными частицами трамбуемого материала.

От интенсивной вибрации мелкие частицы и вода перемещаются вверх, а тяжелые частицы трамбуемого материала опускаются вниз. В результате происходит образование искусственного основания в виде утрамбованной подушки из щебня или гравия. Подушка имеет форму, соответствующую контуру распределения давления в грунтовой массе, т. е. шаровидную форму в однородной среде. В неоднородной среде подушка будет иметь неправильную форму, но под подошвой оболочки будет создана одинаково уплотненная равнопрочная зона.

Вибротрамбование в различных грунтах требует соответствующей технологии.

В песчаных грунтах вибротрамбование приводит к быстрому и сильному уплотнению грунтового основания за счет вытеснения воды и пылеватых частиц. Объем втрамбовываемого материала меньше, чем в глинистых грунтах.

В глинистых грунтах уплотнение грунтового основания происходит с меньшим эффектом, чем в песчаных грунтах. Глинистые частицы от вибрации сильно разжижаются, и происходит интенсивное перемещение разжиженной массы вверх, а крупных материалов вниз; чем сильнее вибрации, тем интенсивнее происходит этот процесс. В глинистых грунтах после вибротрамбования над поверхностью трамбуемого материала оседает большое количество пульпы. Объем пульпы больше, чем объем утрамбованного материала. Эта масса должна быть удалена, после чего рекомендуется еще раз подвергнуть основание трамбованию, но с меньшей частотой, для того чтобы вытеснить оставшиеся мелкие частицы и воду из толщи щебеночной подушки.

Размер уширения зависит от грунтовых условий и мощности вибропогружателя.

На рис. 58 приведены результаты статических испытаний оболочек без уширения и с уширениями, устроенными по способам камуфлетирования и вибротрамбования. Несущая способность оболочек, устроенных с уширениями, увеличилась в 1,5 раза. Величина осадок оболочек с основанием, устроенным по способу вибротрамбования, в 3 раза меньше, чем с основанием, устроенным по способу камуфлетирования.

На строительстве одного моста на образование одного уширения было затрачено времени от 2 час. 50 мин. до 5 час. 30 мин. Из них на монтаж и демонтаж штанги было затрачено времени в Среднем 2 часа, а время работы вибропогружателя колебалось в пределах от 15 до 42 мин. При этом необходимо отметить, что вибропогружатель ВП-3 по техническим причинам работал не на полную мощность. Частота колебаний его не превышала .140—220 в минуту вместо 400 по паспорту.

Вибротрамбование в песчаных грунтах было применено на одной (опытной) свае-оболочке, погруженной в мелкий пылева-тый песок. Металлическую оболочку диаметром 148 см погрузили вибропогружателем ВП-3 на глубину 17,5 м. После извлечения грунта из внутренней оболочки в ее основание втрамбовали 2,3 м3 щебня. До вибротрамбования оболочка была испытана отдельно на силу трения и лобовое сопротивление. При испытании оболочки на силу трения была получена критическая нагрузка 91 т, а при испытании на лобовое сопротивление — 288 т. После вибротрамбования лобовое сопротивление увеличилось и при нагрузке 372 т не была получена критическая нагрузка. Осадка оболочки соответственно уменьшилась с 60 до 30 мм, т. е. вдвое. После заполнения бетоном внутренней полости оболочки она была испытана на полную несущую способность, причем получена критическая нагрузка 601 т. При наличии более мощного вибропогружателя было бы получено соответственно большее увеличение несущей способности оболочек.

Ваш отзыв