УДК 624.154.9

М.В. Корнієнко проф., к.т.н.

Київський національний університет

будівництва і архітектури

Д.А. Карпенко, І.Ю. Заварзіна, аспіранти

Державне підприємство “Державний науково-дослідний

інститут будівельних конструкцій”

ПРО ВИЗНАЧЕННЯ НЕГАТИВНОГО ТЕРТЯ ПО БІЧНІЙ ПОВЕРХНІ

ПАЛЬ ЗА ЄВРОПЕЙСЬКИМИ НОРМАМИ

АНОТАЦІЯ: в даній статті приведені приклади визначення

довантажувального негативного тертя по бічній поверхні для бурових паль

за європейськими та українськими нормами. Зроблені пропозиції щодо

визначення несучої здатності паль з врахуванням довантажувального

тертя.

АННОТАЦИЯ: в данной статье приведены примеры определения

пригрузочного негативного трения по боковой поверхности для буровых

свай по европейским и украинским нормам. Сделаны предложения по

определению несущей способности свай с учетом пригрузочного трения.

ABSTRACT: in this article there are examples of negative friction on the

lateral surface for drilling pile by European аnd uknaine standart. Made

proposals to determine the carrying capacity of piles considering

dovantazhuyuchoho friction.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: негативне тертя, несуча здатність.

KEY WORD: negative friction bearing capacity.

Вступна частина Забудова, що ведеться сьогодні в Україні в складних інженерно-

геологічних умовах при одночасному збільшенні навантажень на основу

все частіше вимагає використання пальових фундаментів. Основною

проблемою при цьому є об’єктивне визначення несучої здатності

одиночних паль. Нові норми [1] не завжди дають повну відповідь на

вирішення таких практичних задач. Особливо це стосується випадків, коли

в процесі експлуатації при зміні фізико-механічних властивостей зазнає

зміни не тільки несуча здатність окремих паль, а й відбувається

перерозподіл навантажень, що передаються на окремі палі в межах

пальового фундаменту.

Для покращення таких оцінок і розрахунків з цієї точки зору важливо

звернутись до світового досвіту, і переш за все європейського, який

акумулював сьогодні в собі всі передові досягнення проектування,

влаштування і експлуатації пальових фундаментів на сучасному рівні.

Хоча EN 1997 [2] не розглядають палі в лесових просідаючих

ґрунтах, які поширені в Україні, все ж підходи та вимоги до проектування

паль на слабих основах можуть бути використані і в нашій практиці. В

зв’язку з цим розглянемо особливості рекомендацій по врахуванню

негативного тертя по бічній поверхні паль за європейськими нормами та

порівняємо їх з вимогами українських норм [1].

Перш за все потрібно підкреслити, що розрахунки фундаментів, як і

всіх будівельних конструкцій, мають єдині підходи (принципи), що

виконуються за граничними станами. Всі граничні стани за EN 1990 [2]

поділяються на дві групи: граничні стани за несучою здатністю (ULS) та

експлуатаційною здатністю (SLS). Як на нашу думку визначення

граничних станів в EN має певну відмінність від традиційного визначення

граничних станів в нормах України, яка полягає в їх орієнтованості на

характеристичні розрахункові схеми. Для геотехнічного проектування

тому використовують такі граничні стани за несучою здатністю: 1) за

втратою статичної рівноваги фундаменту (EQU); 2) за міцністю

конструктивних елементів включно фундаменти і палі (STR); 3) за

міцністю з врахуванням міцності і деформативністю ґрунтів основи (GEO).

Очевидно, що при визначені несучої здатності одиночних паль потрібно

враховувати тільки розрахунки за STR і GEO. Граничний стан за

експлуатаційною придатністю не допускає перш за все деформацій основи,

що перевищують їх заданий рівень. Безперечно, що і цей граничний стан у

випадках можливості проявлення довантажу вального тертя по бічній

поверхні палі повинен враховуватись.

EN вимагають розглядати всі можливі розрахункові ситуації та

комбінації дій, що повинні робити розрахунок несучої здатності абсолютно

надійними. Таким чином розгляд за характером дій довантажувальних сил

лиш може мати різну трактовку. Другою особливістю геотехнічних

розрахунків є використання в них часткових коефіцієнтів ( аналог

коефіцієнтів надійності в українських нормах), кількість яких в

європейських нормах є значною, а тому це надає можливість розглядати

практично всі комбінації можливих завантажень фундаментів і ґрунтової

основи. Ці комбінації призначають в залежності від розрахункових

ситуацій, які для фундаментів в цілому і паль зокрема будуть

характеризуватись використанням трьох додаткових підходів для

геотехнічних дій та показників опору ґрунту (див. додаток А1 в нормах

[4]).

Також потрібно враховувати і ще, що принципи EN є незмінними, в

той час як правила проектування можуть прийматись альтернативними, а

їх використання на практиці залежить в значній мірі від проектувальника.

Все це робить можливі розрахунки і несучої здатності паль

багатоваріантними. Розглянемо з позиції EN процес формування

довантажу вальних сил по бічній поверхні.

Окрім навантажень, що виникають під дією будівлі, паля може бути

об’єктом дії, що виникає при додатковому русі ґрунту, в якому вона

влаштована. Це явище відоме як і в Європі “негативне тертя по бічній

поверхні палі ”, коли мова йде про додаткову консолідацію ґрунту навколо

палі, в результаті чого проявляються і додаткові сили тертя по її бічній

поверхні, що направлені вниз по палі і зменшують її несучу здатність в

цілому. Ґрунт, що рухається відносно палі в інших напрямках (наприклад,

вверх або горизонтально), може викликати підйом, розтяг або бічне

зміщення палі. Норми EN 1997-1 [1] вимагають для нейтралізації таких

переміщень використовувати один з двох таких способів: 1) при

врахуванні дії в системі «ґрунт-споруда» виконувати аналіз взаємодії паль

з ґрунтом; 2) при врахуванні опору ґрунту як еквівалентної прямої дії, що

визначена окремо, несучу здатність палі потрібно розглядати як верхню

межу її значення. Прямого відображення такі способи в цих нормах не

мають. Тому скористаємося роз’ясненнями, що були зроблені ще на

початковій стадії розробки норм по геотехнічному проектуванні [2].

Для цього розглянемо палю, що проходить через поверхневий слабий

шар ґрунту, як це показано на рис.1. Консолідація ґрунту верхнього шару

основи (наприклад, внаслідок виконання підсипки на поверхні чи

додаткового її привантаження) буде протікати після влаштування палі, що

приведе до додаткового навантаження на палю осідаючим ґрунтом. Аналіз

взаємодії системи «ґрунт-споруда» дозволяє визначити, хоча і наближено,

«нейтральну» глибину (де осідання консолідованої товщі буде рівним

осіданню палі при робочому навантаженні). Зауважимо, що на практиці,

зусилля, що затрачені на такий аналіз, переважують невизначеність в

отриманні надійних параметрів ґрунту, що використовуються при цьому

аналізі. Це краще звичайного врахування довантажувального поверхневого

тертя шляхом виключення відповідних верхніх значень цієї дії.

Характеристичне значення вертикальної стискуючої дії GKF ( додатковий

індекс в підстроковому позначенні - к), прикладеної до палі (див. рис.1),

визначається як

GKGKGKGK DWPF ++=

де GKP і GKW - характеристичні величини навантаження від будівлі та

власної ваги палі, а GKD - характеристичне значення довантажувального

поверхневого тертя, діючого на палю (постійна дія). Необхідно зауважити,

що при довантажувальному поверхневому терті є відхилення від цієї

формули характеристичного значення тимчасового навантаження, так як

нова перемінна дія може бути проігнорована (звідси відсутність QKP ).

З іншого боку маємо рівняння для характеристичного значення :

FKRKGK FFF += ,

де RKF і FKF - відповідно характеристичні значення опору палі по

нижньому кінцю та бічній поверхні.

Як правило, консолідація шару є в’язкою, що протікає в часі (коли

маємо глинистий грунт), а тому довантажувальне поверхневе тертя

розраховується за європейськими нормами:

SDUKGK ACD ⋅⋅= α

де α - відповідний коефіцієнт для зчеплення, UKC - характеристичне

питоме значення недренованого зсування для глинистого ґрунту, а SDA -

площа бічної поверхні палі в межах шару консолідації.

При виборі величин α і UKC важливо вибирати їх верхні значення

таким чином, щоб отримати максимальні величини GKD .

Деякі дослідники рекомендують розраховувати значення

додаткового поверхневого тертя як розрахункове (підстроковий індекс

включає d):

( ) SDUKCKSDUdGd ACACD ⋅⋅⋅=⋅⋅= γαα

де UdC - розрахункове значення недренованого зчеплення глинистого

ґрунту, а CKγ - частковий коефіцієнт зчеплення (дорівнює 1,35 в проектних

підходах 1 і 3 [4]).

Однак, необхідно зберігати обережність при використанні цього

рішення при виборі характеристичної величини для недренованого

зчеплення, яка при визначені може виходити за допустиму межу. Це

пов’язано з тим, що невдало вибране “верхнє” значення характеристичної

величини при визначенні розрахункової величини може вийти за межі поля

розсіювання експериментальних значень iUC . .

На наш погляд, більш розумно було б вибирати розрахункове

значення верхнього характеристичного значення зчеплення (як це

передбачено в Єврокоді 7 [2]), замість того, щоб розраховувати його з

власного значення множенням на частковий коефіцієнт. Потрібно також

зауважити,що EN 1997-1 [2] передбачає при додатковому поверхневому

терті, розгляд граничного стану за міцністю, що відноситься тільки до

граничного стану експлуатаційної придатності. Результуюча дія

додаткового поверхневого тертя в додатковому осіданні палі, не повинна

перевищувати загального граничного осідання, визначеного для споруди.

В окремих випадках, коли палі мають недостатню кінцеву несучу

здатність, додаткове поверхневе тертя може привести до надмірних

стискуючих навантажень на палю, що приведе в кінцевому результаті до

зриву по несучій здатності і руйнуванню конструкції палі.

Проведені дослідження для буронабивних паль в лесових

просідаючих грунтах підтвердили, що в такий випадок може бути

досягнуто при влаштуванні їх розширення. Було встановлено, що при

збільшенні діаметра розширення палі загальне допустиме навантаження на

палю в умовах довантажувального тертя значно наростає [5].

м'якопластичнийсуглинок

напівтверда глина

рівномірно розподілененавантаження

Рис. 1 Сили що прикладені до палі у випадку, проявлення додаткового

стиснення м’якого суглинку,що викликає негативне тертя GD по поверхні палі.

За вказаним вище порядком було розраховано величину негативного

тертя по бічній поверхні паль діаметром 320…820 мм, що прорізали

сильностисливі грунти товщиною 1h та передавали навантаження на

залягаючи нижче ґрунти (див. табл.1).

Таблиця 1

Характеристики натурних паль, використаних в розрахунку

№ палі Вид палі Діаметр

палі, мм

Довжина, м Розрахункове

зусилля за

ДБН [1], кН 1h 2h

1

буронабивні

320 4 10.5 450

2 620 3 16 1500

3 820 2 14 3000

Для підходів та комбінацій навантажень, що розглядались були

отримані наступні величини несучої здатності розрахунками по EN. При

цьому враховувались розрахункові значення сил тертя та опору ґрунту по

нижньому кінцю та бічній поверхні палі, що прийняті за результатами

звітів з інженерно-геологічних вишукувань. Так як автори не ставили

перед собою завдання приведення розрахунку одиночних паль за нормами

EN, а зробили наголос на визначенні розрахункових значень dF при різних

розрахункових ситуаціях, то нижче в табл. 2 приведено остаточні

розрахункові показники dF для розглянутих паль з врахуванням сил

довантажувального тертя.

Таблиця 2

Підсумкові результати розрахунків

Розрахунковий підхід та характер врахування дії

довантажувального тертя

За ЕN 7 , кН

За укр. нормами

, кН

Різниця %

Для палі діаметром 320 мм С1 довантажувальна

сила як дія 530.38

450

17,86

С2 як дія основи 557.17 23,83 В1 довантажувальна

сила як дія 716.01 59,11

В2 як дія основи 687.88 32,86 Для палі діаметром 620 мм

С1 довантажувальна сила як дія

1616,8

1500

7,78

С2 як дія основи 1650 10 В1 довантажувальна

сила як дія 2182 45,46

В2 як дія основи 2141,5 42,76 Для палі діаметром 820 мм

С1 довантажувальна сила як дія

3102,99

2250

38,38

С2 як дія основи 3137,32 39,42 В1 довантажувальна

сила як дія 4189 86,17

В2 як дія основи 4152,99 84,53

Примітка: літери С та В відносяться до таблиць А1.2(С) і А1.2(В) ( додаток А1 EN 1990 [4]), а цифри 1 і 2 до розрахункових ситуацій.

Проведений аналіз показав, що в європейських нормах вимоги до

врахування довантажу вальних сил тертя по бічній поверхні паль є більш

диференційований порівняно з українськими нормами. Сили довантажу

вального тертя при цьому визначаються тільки з використанням

максимального значення питомого зчеплення, яке враховується з

відповідними коефіцієнтами, що забезпечують гарантоване визначення

несучої здатності палі.

В лесових ґрунтах ДБН [1] рекомендують розглядати дію

довантажувальних сил додатково до розрахункових значень несучої

здатності палі, в той час як в ЕN діюча сила довантажувального тертя

розглядається як супутня. Положення “нульової точки ”, що визначає

ділянку при вантаження, в ДБН визначається можливістю консолідованої

деформації ущільнення лесового ґрунту (під дією власної ваги чи з

врахуванням при вантаження) загальною величиною в 50 мм, з чим важко

погодитись. Це означає, що для всіх випадків українські норми ігнорують

можливість проявлення сил тертя по бічній поверхні палі при

випережаючих деформаціях, наприклад, 10…20 мм. В EN у випадку

відсутності обґрунтованого підходу деформації тертя враховуються

повністю в межах консолідованого шару ґрунту за середньою величиною

недринованого питомого зчеплення. В примітках до п.8.5.5.11 [1] вказано

можливість врахування розрахункової схеми замочування лесової товщі

зверху вниз або при підйомі рівня ґрунтових вод, що теоретично

обґрунтовано. Проте надійність визначення буде гарантованою тільки у

випадку врахування максимальної величини питомого зчеплення лесового

ґрунту.

Кількісна оцінка розрахункових способів EN показала, що ці методи

диференційовано не враховують геометричних розмірів паль, в зв’язку з

чим можливе завищення несучої здатності буро набивних паль. Очевидно,

що такі ж недоліки можуть виникнути і при використанні інших типів

паль.

Це означає проведений аналіз підтверджує доцільність уточнення

методу врахування сил довантажу вального тертя по бічній поверхні палі

як за аналітичними рішеннями так і проведенням спеціальних

експериментальних досліджень.

Список літератури:

1. Основи та фундаменти споруд. Основні положення

проектування: ДБН В.2.1-10-2009 .-К.: Мінбуд України, 2011. – 56 с. (

Зміна №1 Палі і пальові фундаменти).

2. Eurocode 7:EN 1997-1:2004 /АС / : Geotechnical desing – Part 1:

General rules —(together with United Kingdom National Application

Document), 1997. — 182 р.

3. Eurocode 7 a commentary: Eurocode 7 Part -1 DD ENV 1997 –

1:1995./ authors. Brian Simpson, Arup Geotechnics, Richard Driscoll, BRE. –

London: Construction Research Communication Ltd 151 Rosebery Avenue,

1988. — 183 p.

4. Настанова основи проектування конструкцій: ДСТУ-Н.Б.В.1.2.-

В:2008.-К.: Мінбуд України, 2009. — 80 с.

5. Корнієнко М.В., Карпенко Д.А./ Несуча здатність буронабивних

паль з розширенням в лесових ґрунтах за результатами статичних

випробувань/ Карпенко Д.А, Корнієнко М.В.// Основи і фундаменти. –

К:КНУБА, 2008. — Вип. 31-С.25-34.