На строительных площадках при наличии слабых несущих слоев грунта традиционным решением являются свайные фундаменты большой длины. Вытрамбованные фундаменты, а также короткие пирамидальные сваи [1, 2], фундаменты оболочки [3] и плитно-свайные фундаменты [4, 5] являются наиболее рациональными конструкциями фундаментов при наличии сложных инженерно-геологических условий. В результате экспериментов было выявлено, что призматическая свая обладает несущей способностью в 2–2,5 раза меньше, чем вытрамбованные фундаменты. Столь значительное расхождение в несущей способности объясняется иным характером взаимодействия основания с вытрамбованным фундаментом, в сравнении с призматической сваей, и значительной областью уплотнения грунта вокруг вытрамбованного фундамента [6]. В связи с этим были произведены геометрические расчеты комбинированного свайного фундамента, которые представлены в табл. 1, для расчета были приняты размеры при значении Н = 1 м и сторона сваи равна 0,3 м.

Технология производства вытрамбованного фундамента следующая. Вытрамбованные фундаменты изготавливают при помощи копровой установки, оборудованной дизель-молотом или вибропогружателем. Рабочий орган состоит из направляющей, по которой происходит погружение, и конусообразного пробойника. Пробойник представляет собой металлическую конусообразную форму, в верхней части которой крепится пружинный механизм, он необходим для извлечения пробойника из грунта. С помощью кронштейна конусообразный пробойник крепится к направляющей. Воздействие на пробойник от дизель-молота передается через наголовник. Пробойник погружается в грунт за счет многократного ударного воздействия дизель-молотом. При достижении грунта пружинный механизм многократно уплотняет основание вокруг пробойника. В результате чего не происходит выпор, разрыхление и разуплотнение грунта в непосредственной близости от котлована. Пробойник извлекают, когда сила сжатия опорных пружин превосходит силу трения и сцепления поверхности рабочего органа о стенки котлована [7]. Затем сваебойный копер погружает сваю заданной длины на проектную отметку. Рабочую арматуру сваи оголяют, устанавливают металлический каркас и производят обетонирование для совместной работы забивной сваи и вытрамбованной части фундамента [8].

Целью настоящего исследования является изучение работы комбинированного фундамента, состоящего из забивной сваи длиной L = 0; 3; 6; 9 м и вытрамбованного элемента с углом α = 150, 200, 250, 300 к вертикали относительно наклонной грани. Выявление зависимости от угла наклона вытрамбованного элемента и длины сваи к несущей способности фундамента.

Численные исследования

Расчеты производились в условиях осесимметричной задачи в программном комплексе Plaxis 2D. На основании обзора литературных данных [9–11] была разработана расчетная схема фундамента, грунтового основания и уплотненной зоны. Расчетные характеристики основания приведены в табл. 2. Нагрузка на фундамент доводилась до предельных значений.

На рис. 1 приведены основные зависимости осадка – нагрузка при различных значениях α и длине сваи L. С увеличением нагрузки в активной зоне фундамента начинают развиваться области пластических деформаций, зависимость «осадка – нагрузка» на рис. 1, А–Г, приобретает нелинейный характер.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим основные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния комбинированных свайных фундаментов. При анализе рис. 1, А, видно, что при длине сваи L = 0 изменение угла от 150 до 300 приводит к увеличению несущей способности вытрамбованного фундамента в 1,75 раз при осадке S = 2 см. На рис. 1, Б–Г, наблюдаем, что с увеличением длин сваи при α = 150 несущая способность фундамента изменяется соответственно в 1,72; 2,21; 2,76 раз относительно фундамента при L = 0. Для фундаментов с α = 200 при изменении длины сваи несущая способность изменяется в 1,6; 2,29; 2,77 раз соответственно, а при α = 250 с увеличением длины сваи несущая способность фундамента изменяется в 1,55; 1,94; 2,35 раз. При значениях α = 300 увеличение несущей способности фундамента при изменении длины сваи составит 1,28; 1,7; 1,96 раз.

Результаты зависимостей осадки фундамента от длины свай и угла наклона боковой грани показаны на рис. 2. При α = 150 и Р = 200 кН соотношение осадки будет равно 0,48; 0,36; 0,31 для L = 3; 6; 9 м соответственно, с увеличением нагрузки Р = 400 кН при α = 250 несущая способность фундамента изменяется соответственно в 0,57; 0,37; 0,34 раз. С увеличением значения α = 300 соотношение несущей способности при Р = 600 кН соответственно длинам свай составит в 0,48; 0,34; 0,31 раз, а при Р = 800 кН соотношения равны 0,39; 0,21; 0,17 раз.