Теоретические основы количественной оценки расширения лидирующей скважины щебеночной буронабивной сваи в нелинейной постановке

Введение. Известно, что для уплотнения слабых грунтов на глубине применяются различные методы, включая создание грунтовых колонн путем объемного расширения порции материала (щебень, песок и т.д.) под воздействием вертикальной нагрузки в забое скважины. С увеличением вертикальной нагрузки происходит увеличение диаметра рабочего материала до определенного значения, что приводит к возникновению значительных радиальных и тангенциальных напряжений в окружающем слабом грунте. Настоящая работа посвящена разработке теоретических основ изготовления щебеночной буронабивной сваи, позволяющих дать количественную оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) в грунтовом цилиндре вследствие расширения диаметра лидирующей скважины. Изложены постановка и решение задачи по оценке НДС толстостенного грунтового цилиндра ограниченных размеров (диаметр, высота) с диаметром скважины. По существу, это общеизвестная задача Лямэ о толстостенной трубе.

Материалы и методы. Задача рассмотрена в линейной и нелинейной постановках. Решение получено аналитическим методом. Для оценки НДС толстостенного грунтового цилиндра использовались решение задачи Лямэ о толстостенной трубе и системы физических уравнений Генки.

Результаты. Получены выражения для определения перемещения стенки скважины в радиальном направлении, радиального и касательного напряжений в грунтовом цилиндре. Показаны кривые зависимости радиального перемещения от давления на стенки скважины. Результаты отображены графически.

Выводы. Полученные решения могут быть применены для определения радиального перемещения стенки скважины при глубинном уплотнении слабых грунтов методом создания грунтовых колонн путем объемного расширения в линейной и нелинейной постановках. Построены кривые зависимости радиального перемещения от давления на стенки скважины при различных деформированных и прочностных параметрах окружающих грунтов, а также геометрических параметров.

1. Barron R.A. Consolidation of fine-grained soils by drain wells // Transactions of the American Society of Civil Engineers. 1948. Vol. 113. Issue 1. Рр. 718–742. DOI: 10.1061/taceat.0006098

2. Shrivastava R.P., Shroff A.V. Theoretical simulation of experimental results with barron’s theory for consolidation of soft clay by radial flow using PVD // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Рр. 275–291. DOI: 10.1007/978-981-16-5605-7_25

3. Basack S., Indraratna B., Rujikiatkamjorn C., Siahaan F. Modeling the stone column behavior in soft ground with special emphasis on lateral deformation // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2017. Vol. 143. Issue 6. DOI: 10.1061/(asce)gt.1943-5606.0001652

4. Indraratna B., Basack S., Rujikiatkamjorn C. Numerical solution of stone column–improved soft soil considering arching, clogging, and smear effects // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2013. Vol. 139. Issue 3. Рр. 377–394. DOI: 10.1061/(asce)gt.1943-5606.0000789

5. Kim Y.T., Nguyen B.P., Yun D.H. Analysis of consolidation behavior of PVD-improved ground considering a varied discharge capacity // Engineering Computations. 2018. Vol. 35. Issue 3. Рр. 1183–1202. DOI: 10.1108/ec-06-2017-0199

6. Basack S., Nimbalkar S. Load-settlement characteristics of stone column reinforced soft marine clay deposit: combined field and numerical studies // Sustainability. 2023. Vol. 15. Issue 9. P. 7457. DOI: 10.3390/su15097457

7. Pandey B.K., Rajesh S., Chandra S. Time-dependent behavior of embankment resting on soft clay reinforced with encased stone columns // Transportation Geotechnics. 2022. Vol. 36. P. 100809. DOI: 10.1016/j.trgeo.2022.100809

8. Thakur A., Rawat S., Gupta A.K. Experimental study of ground improvement by using encased stone columns // Innovative Infrastructure Solutions. 2021. Vol. 6. Issue 1. DOI: 10.1007/s41062-020-00383-y

9. Shehata H.F., Sorour T.M., Fayed A.L. Effect of stone column installation on soft clay behavior // International Journal of Geotechnical Engineering. 2021. Vol. 15. Issue 5. Рр. 530–542. DOI: 10.1080/19386362.2018.1478245

10. Minaev O.P. The selection and use method of sandy ground compaction // Magazine of Civil Engineering. 2014. No. 7 (51). Рр. 66–73. DOI: 10.5862/MCE.51.8. EDN SYSMWF.

11. Минаев О.П. Основы и методы уплотнения грунтов оснований для возведения зданий и сооружений : автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 2018. 36 с.

12. Уколов С.А., Трепалин В.А., Викулова Л.Н., Симонова А.С. Совершенствование методов оценки степени уплотнения грунтов // Инженерный вестник Дона. 2023. № 5 (101). С. 590–598. EDN HWXPXX.

13. Сеськов В.Е. Уплотнение насыпных грунтов в сложных инженерно-геологических условиях // Геотехника Беларуси: наука и практика : мат. Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 60-летию кафедры оснований, фундаментов и инженерной геологии и 90-летию со дня рождения профессора Юрия Александровича Соболевского. 2013. С. 254–263.

14. Кочерженко В.В., Сулейманова Л.А. Инновационные свайные технологии в современном фундаментостроении // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2022. № 4. С. 57–67. DOI: 10.34031/2071-7318-2021-7-4-57-67. EDN ZPPWAA.

15. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Анжело Г.О. Взаимодействие нефильтрующей щебеночной сваи (колонны) с окружающим консолидирующим грунтом и ростверком в составе свайно-плитного фундамента // Жилищное строительство. 2019. № 4. С. 19–23. DOI: 10.31659/0044-4472-2019-4-19-23. EDN WQAGEY.

16. Христич Д.В., Астапов Ю.В., Артюх Е.В., Соколова М.Ю. Нелинейная модель деформирования сжимаемых грунтов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. № 4. С. 305–312. EDN KHRLPM.

17. Hencky H. Zur Theorie plastischer Deformationen und der hierdurch im Material hervorgerufenen Nachspannungen // ZAMM — Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 1924. Vol. 4. Issue 4. Рp. 323–334. DOI: 10.1002/zamm.19240040405

18. Осман А. Напряженно-деформированное состояние не полностью водонасыщенных оснований при статическом и динамическом воздействиях : дис. … канд. техн. наук. М., 2023. 139 с. EDN GVDZJP.

19. Дам Х.Х. Осадка и несущая способность барреты и барретного фундамента с учетом упруго-вязких и упруго-пластических свойств грунтов : дис. … канд. техн. наук. М., 2023. 152 с. EDN VPUZFE.

20. Casagrande A. The Determination of the Pre-Consolidation Load and its Practical Significance // Proceedings of the 1st International Conference on Soil Mechanics. 1936. Vol. 3.

21. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Курилин Н.О. Осадка и несущая способность оснований фундаментов конечной ширины // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2021. № 1. С. 8–13. EDN PZXDZM.

22. Струнин П.В. Напряженно-деформированное состояние грунтоцементных свай, взаимодействующих с грунтовым основанием и межсвайным пространством : дис. … канд. техн. наук. М., 2013. 168 с. EDN SCEGHR.