Для того чтобы правильно прогнозировать поведение буроинъекционных свай с контролируемым уширением в различных грунтовых условиях были выполнены теоретические исследования.
Основные задачи теоретических исследований:
1.Изучение напряженно-деформированного состояния уплотнённой зоны грунтового массива возле образующегося уширения во время закачки инъекционного раствора;
2. Выявление основных закономерностей формирования пластической и упругой области возле буроинъекционной сваи с контролируемым уширением;
3. Сравнение результатов теоретических исследований с результатами полевых исследований [6].
Полевые исследования [6] проходили на строительной площадке, расположенной на пересечении улиц Щербакова и Дружбы г. Тюмени, инженерно-геологические условия которой показаны в табл.1.
Таблица 1
|
№ ИГЭ |
Вид грунта |
Глубина Н, м |
Показатель текучести, IL |
|
|
|
Е, МПа |
|
1 |
Насыпной грунт |
0-2,0 |
- |
18,5 |
- |
- |
- |
|
2 |
Супесь пластичная |
2,0-4,0 |
0,40 |
19,8 |
19,0 |
8,0 |
11,0 |
|
3 |
Суглинок мягкопластичный |
4,0-9,0 |
0,75 |
18,6 |
15,0 |
11,0 |
7,0 |
, кН/м3
, град
, кПа
Голубев К.В. [1] рассматривает осесимметричную задачу расширения кругового отверстия диаметром, равным диаметру сваи (уширения), и, исходя из условия равенства компонент напряжения на границе упругой и пластической областей, определяют радиус уплотненной зоны грунта при погружении сваи по формуле:
(1)
где d –
диаметр нижнего конца сваи (уширения); p – радиальное давление на
контуре (давление обжатия); p0
– природное горизонтальное давление грунта на рассматриваемой глубине; 
– коэффициент бокового давления грунта.
При этом рассматриваются две области вокруг сваи: упругая и пластическая.
Лалетин И.В. [7] считает, что часть вытесняемых сваей частиц грунта расходуется на изменение его структуры в пределах уплотнённой зоны, а другая часть возмещает объёмные изменения, возникающие вследствие упругих деформаций грунта за пределами уплотнённой зоны. При этом уплотнение грунта происходит за счёт уменьшения объёма пор, в то время как объём частиц грунта остаётся постоянным. Выражение для определения радиуса уплотнения имеет вид:
(2)
где r –
радиус сваи; k0 –
коэффициент, показывающий долю вытесняемых сваей частиц грунта, расходуемых
непосредственно на образование уплотнённой зоны; С
– модуль остаточной деформации грунта; 
–
радиальное напряжение на границе уплотнения.
Необходимо отметить, что использование данной формулы в практических расчётах затруднено ввиду сложности определения коэффициента k0.
Есипов А.В. [8] и Петухов А.А. [4] для определения радиуса уплотнённой зоны грунтового массива предлагают использовать экспериментально-теоретический способ, основывающийся на реальных данных изменения характеристик грунта (в частности изменения плотности) возле уширения на основании сетки отбора монолитов грунта с использованием эмпирической зависимости:
(3)
где
– плотность сухого грунта на расстоянии
(
); 
–
природная плотность сухого грунта; 
–
максимальное значение плотности сухого грунта; –
расстояние до рассматриваемой точки; 
– радиус
уширения на конце сваи; 
–
коэффициент аппроксимации.
Значение максимальной плотности
сухого грунта для слабых глинистых грунтов авторы предлагают принимать равным
1,55 – 1,6 г/см3, значение параметра 
=
1,275. В данном способе не учитывается изменение напряжённого состояния массива
грунта возле образующегося уширения при закачке раствора под давлением.
Богомолов В.А. [9] описывает напряженно-деформированное состояние уплотнённой зоны грунтового массива исходя из уравнения равновесия для случая расширения сферической полости:
где
- радиальные и тангенциальные напряжения;
Решение задачи базируется на использовании модели упрочняющейся физически анизотропной (разномодульной) грунтовой среды (УРС). Данная модель основана на представлении о существовании упругих (е), допредельных пластических (р) и предельных пластических (f) деформаций по каждому из трех главных направлений. Важнейшей характеристикой среды является начальное напряжение (например, от собственного веса грунта) или любое большее напряжение, когда-либо действовавшее в каждом из трех направлений. Физические соотношения выражаются следующим образом:
где
-деформации,
-напряжения
соответственно в радиальном, тангенциальном и вертикальном направлениях; 
- коэффициент Пуассона; 
– модуль деформации при сжатии; 
- коэффициент разномодульности (
-модуль деформации при растяжении).
Напряжения в пластической области определяются на основе условия прочности Кулона-Хворслева, модифицированного для упрочняющейся грунтовой среды:
где 
– переменное сцепление, 
– среднее
напряжение в грунте (параметр упрочнения).
Принципиальное отличие
этого условия от традиционного условия прочности Кулона
состоит в том, что состояние сдвига
анализируется с переменным сцеплением ci и постоянным углом
внутреннего трения.
Критическое давление ркр, соответствующее началу образования пластических деформаций (напряжения в упругой области достигают предельных значений) на поверхности сферической полости определяется по следующей формуле:
Деформации при р>ркр определяются как продолжение упругих и пластических деформаций протекающих по закону пластического течения:
Радиус уплотнённой зоны массива грунта, которая развивается при р>ркр, описывается следующим выражением:
(4), где 
Сравнение результатов теоретических и полевых исследований радиуса уплотнённой зоны грунтового массива представлено в таблице 2.
Таблица 2
|
Методы определения |
Среднее значение R, м |
Гистограмма сравнения |
|
1. Полевые исследования [6] |
0,64 |
|
|
2. Голубев К.В. [1] |
0,78 |
|
|
3. Лалетин И.В. [7] |
0,84 |
|
|
4. Есипов А.В., Петухов А.А. [4,8] |
0,72 |
|
|
5. Богомолов В. А. [9] |
0,66 |
Таким образом, предложенная Богомоловым В.А. модель УРС на наш взгляд является наиболее подходящей для описания закономерностей образования контролируемого уширения на конце буроинъекционной сваи в слабых пылевато-глинистых грунтах, так как имеет две принципиальные особенности: разномодульность и упрочнение, которые зависят как от свойств грунта, так и от конкретного НДС.
Численное моделирование осуществлялось в программном комплексе PLAXIS_8.2 с использованием осесимметричной упругопластической модели грунтового основания с критерием прочности Мора-Кулона в первом случае при помощи расширения кластера (рис. 2), во втором случае при помощи равномерно распределенной нагрузки, расширяющей оболочку изнутри (рис. 3).
Рис. 2. Моделирование образования уширения с помощью расширения кластера на 3%
Рис. 3. Моделирование образования уширения с помощью давления P=1.2 МПа
Оба способа имеют свое прикладное технологическое значение: первый случай подходит для определения радиуса уплотнённой зоны грунтового массива, второй - для определения минимально требуемого давления закачки раствора.
Что касается результатов моделирования статического нагружения уширения, то сходимость с PLAXIS_8.2 составляет 10% (рис.13), что позволяет использовать полученные данные при проектировании.
Рис. 4. Моделирование статического нагружения уширения, сходимость 10%
Рецензенты:Чекардовский М.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень;
Миронов В.В., д.т.н., профессор кафедры «Водоснабжения и водоотведения» ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень.