Вступ
Проблематика будівництва в Україні тісно пов’язана з наявністю різноманітних ґрунтів зі складними інженерно-геологічними умовами. Крім того, за час збройної агресії проти нашої держави було пошкоджено велику кількість житлових будинків та об'єктів інфраструктури. Через це з’явився гострий попит на улаштування тимчасових і постійних будівель у найкоротші терміни. Традиційні залізобетонні фундаменти сповільнюють зведення таких об'єктів та значно підвищують їх вартість. Фундамент повинен бути надійним, стійким, ефективним та зручним. Цим характеристикам повною мірою відповідає технологія гвинтових паль [1]. Метою даного дослідження є обґрунтування раціональних організаційно-технологічних параметрів улаштування гвинтових пальових фундаментів у складних ґрунтових умовах України на основі чисельного моделювання напружено-деформованого стану (НДС) системи «паля–основа».
Аналіз існуючих технологій
Історія гвинтових паль сягає 1833 року, коли Олександр Мітчелл запатентував цей винахід, керуючись принципом «вкручувати завжди легше, ніж забивати». На сьогодні гвинтові палі поділяються на кілька типів: широколопатеві (з однією лопаттю), багатолопатеві (для підвищених навантажень), вузьколопатеві (для кам'янистих ґрунтів) та спеціальні для умов вічної мерзлоти. На тримальну здатність паль впливають геометричні (діаметр труби та лопаті), фізичні (марка сталі), технологічні (правильність занурення без розпушення ґрунту) та природні (агресивність середовища, сейсміка) фактори [2]. Традиційні аналітичні методи розрахунку не завжди здатні повною мірою врахувати складну просторову механіку взаємодії системи «паля-ґрунт», особливо за наявності висмикувальних навантажень.
Методологія та умови дослідження
Для комплексного аналізу ефективності різних типів паль було застосовано метод комп’ютерного моделювання (FEM) у програмному комплексі PLAXIS 2D. Об’єктом моделювання обрано три типи паль діаметром 76 мм однакової довжини:
● «Navivka» – класична з навивкою по стовбуру;
● «Lopat» – паля з локальним розширенням (лопаттю діаметром 250 мм);
● «Hibrid» – комбінована паля (гвинтова навивка + широка лопать над нею).
Дослідження проводились для трьох типів ґрунтових умов, характерних для Запорізького та Дніпропетровського регіонів (слабкі, середні та щільні суглинки), під навантаженням на стиск та висмикування (70 кН).
Результати чисельного моделювання
Аналіз напружено-деформованого стану дозволив виявити наступні закономірності:
● У слабких ґрунтах (Тип І): усі типи паль продемонстрували найвищі показники переміщень (близько 8 мм). Проте лопатева паля кардинально (майже на 46%) знизила контактні напруження до -186,3 кН/м2 порівняно зі звичайною навивкою (-346,7 кН/м2). Гібридна паля не дала суттєвого приросту тримальної здатності.
● У щільних ґрунтах (Тип ІІ): загальна деформативність системи знизилася. Лопатева паля продемонструвала найкращі показники жорсткості: осідання склало 3,05 мм, а напруження – -159,4 кН/м2.
Натомість гібридна паля показала погіршення результатів через негативну інтерференцію: ґрунт між навивкою та лопаттю переущільнюється, перетворюючись на жорстке "ядро", що збільшує контактні напруження до -178,2 кН/м2 [3].
● У ґрунтах середньої щільності (Тип ІІІ): лопатева паля знову підтвердила свою ефективність, знизивши напруження більш ніж удвічі (до -163,3 кН/м2) порівняно з навивкою.
Організаційно-технологічні рекомендації
За результатами моделювання НДС розроблено рекомендації щодо вибору засобів механізації. Для щільних суглинків твердої консистенції (Тип ІІ) напруження під лопаттю сягають екстремальних значень. Розрахунковий крутний момент перевищує 8000 Н·м. Відповідно, для запобігання крутильному випинанню металевого стовбура палі обґрунтовано необхідність використання повноповоротних гусеничних екскаваторів масою не менше 20 тонн з гідрообертачами крутним моментом 8000–12000 Н·м. Легкі міні-екскаватори у таких умовах неприпустимі.
Також для щільних ґрунтів організаційно-технологічною схемою має бути передбачено лідерне буріння свердловини діаметром 80-85% від діаметра лопаті палі на глибину на 0,5...1,0 м вище проектної позначки. Це знімає пікові напруження та зберігає цілісність антикорозійного покриття.
Додатково виявлено вплив інтерференції напружень на просторову організацію робіт. Ущільнене ядро ґрунту, що утворюється навколо кожної зануреної палі, створює перешкоди для наступних паль, призводячи до відхилення від вертикалі та підняття ґрунту. Для вирішення цієї проблеми рекомендовано відмовитися від послідовного рядового занурення з малим кроком і застосовувати шахову (перехресну) або спіральну (від центру до периферії) схеми руху техніки на майданчику [4].
Висновки
1. На основі результатів чисельного моделювання спростовано гіпотезу про пряму сумацію несучої здатності у гібридних палях. Встановлено, що оптимальним рішенням для більшості досліджених ґрунтових умов є використання гвинтової палі з однією розширеною лопаттю, яка забезпечує зниження переміщень та розсіювання контактних напружень.
2. Технологічний процес улаштування фундаментів у щільних ґрунтах обов'язково повинен супроводжуватися використанням техніки високої потужності та лідерним бурінням.
3. Запропоновані просторові схеми виконання робіт (шахова та спіральна) дозволяють мінімізувати явище технологічної інтерференції напружень, забезпечуючи високу якість монтажу пальового поля та довговічність фундаменту.
Список літератури:
1. ДБН В.2.1-10-2009 Основи та фундаменти споруд. Основні положення проектування. Київ : Мінрегіонбуд України, 2009. 160 с.
2. ДБН В.2.6-198:2014. Сталеві конструкції. Норми проектування. Київ: Мінрегіон України, 2014. 205 с.
3. PLAXIS V8 Professional Version / Delft University of Technology & Plaxis b.v., Netherlands, 2006.
4. BS EN ISO 22477-1:2018. Geotechnical investigation and testing – Testing of geotechnical structures. Part 1: Testing of piles: static compression load testing. 2018.
____________________________
Науковий керівник: Самченко Роман Васильович, кандидат технічних наук, доцент, Запорізький національний університет
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter