1. УДК 624.154.1
Карпенко Д. А., інженер
Державний науково - дослідний інститут будівельних конструкцій
м.Київ, Україна
Дослідження несучої здатності палі в лесових ґрунтах в
залежності від виду замочування ґрунтової основи
Норми пропонують окремі підходи у визначенні сил негативного тертя в
звичайних та лесових просідаючих ґрунтах. Причиною, що визиває появу
негативного (вірніше довантажуючого) тертя є випереджаюче осідання ґрунту
навколо палі, порівняно з осіданням самої палі. Норми вважають, що межею
різниці такого осідання є половина допустимого осідання фундаменту даної
будівлі (споруди) в звичайних ґрунтових умовах (це 5...7.5 см для звичайних
будівель, та 5...20 см для спеціальних споруд) або величина просідання лесових
ґрунтів під дією власної ваги Ssl.q=5 см. Ці значення визначають за розрахунками
ту глибину, вище якої по бічній поверхні паль будуть розвиватися довантажуючі
зусилля, а нижче – підтримуючі сили по бічній поверхні палі. У той же час з
практики випробувань паль статичним навантаженням відомо, що реалізація сил
тертя по бічній поверхні паль проходить при переміщенні паль відносно
навколишнього ґрунту на 10...20 мм. У лабораторних умовах при випробуванні на
зсування зразків ґрунту повна реалізація сил тертя наступає при зміщенні ґрунту
по площині зсування на 2...3 мм. Така невідповідність прийнятих в нормах
розрахункових схем фактичним умовам реалізації сил тертя по бічній поверхні
паль приводить до значних розходжень в оцінці несучої здатності паль Fd,
ґрунтова основа яких може додатково довантажуватись. Отримані величини Fd,
для ґрунтових умов заплавної частини території м. Києва підтверджують цей
висновок.
При проектуванні пальових фундаментів на ґрунтах, що просідають,
виникають більші труднощі у визначенні негативних сил тертя. Діючий у цей час
Снип 2.02.03-85 передбачає визначення сил негативного тертя "за досвідченим
даними", а при відсутності їх, допускає "приймати розрахункові значення fn,i, по
табл. 2.
Табличного ж значення fn,i,, як показала практика, надто далекі від дійсних
значень і в переважній більшості випадків приводять до істотного заниження сил
негативного тертя.
Негативне тертя може виникати при різних обставинах: при плануванні
територій підсипкою, коли сильно стискуючі ґрунти залягають на поверхні;
завантаженням поверхні грунта значним корисним навантаженням; штучним або
природним водозниженням, яке визиває збільшення власної ваги ґрунту, а також
незавершеної консолідації ґрунтової основи, віброущільнення грунтів при русі
транспорту і роботі промислового обладнання; при зведенні поряд з палевими
фундаментами фундаментів мілкого закладання і інше. Ймовірність виникнення
сил негативного тертя значно збільшується, якщо в межах глибини занурення палі
існує слабкий шар. Деформація слабкого шару може бути настільки великою, що
вищележачі шари грунту зависнуть на палі, додатково навантажуючи її.

2. Замочування ґрунтів може відбутися по різних причинах, наприклад при
поступовому піднятті рівня підземних вод або внаслідок аварії трубопроводів.
Останній випадок є одним з найнебезпечніших, тому що трубопроводи, як
правило, заглиблені й наслідки аварії виявляються через досить тривалий час,
коли інфільтруючи вода виходить на поверхню землі.
Існує кілька способів визначення сил негативного тертя. Відповідно до
першого способу СНиП II-18-76 рекомендує величину питомих сил негативного
тертя приймати рівної 0.01 Мпа. Недоліком першого способу є те, що величина
негативного тертя для всіх випадків приймається постійною, у той час як у
дійсності їхня величина змінюється залежно від ґрунтових умов, способу
занурення палі й інших факторів. Внаслідок цього дуже часто дані значення сил
негативного тертя перевищують значення, прийняте по СНиП.
Другий спосіб це випробування палі на майданчику. Недоліком цього
способу є те, що сили негативного тертя визначаються в ненавантаженим
зовнішнім навантаженням палі. У реальних ж умовах паля в складі фундаменту
несе певне навантаження від будинку або спорудження. Зазначена невідповідність
значно знижує точність визначення сил негативного тертя, тому що характер
роботи ненавантаженої палі, швидкість відносного переміщення палі й ґрунту,
сильно відрізняються в порівнянні з роботою палі в реальних умовах, що
приводить до завищення сил негативного тертя, заниженню несучої здатності палі.
Розроблено більше точніший третій спосіб визначення сил негативного
тертя, захищений авторським посвідченням (А.с. 1158676 СРСР). Більше висока
точність вимірів у запропонованому способі досягнута за рахунок того, що до
основної палі прикладається навантаження N = 0,5 RF (F - площа обпирання палі,
R - розрахунковий опір під нижнім кінцем паль, прийняте як для просідаючих
ґрунтів по відповідних нормативних документах). Потім просідає шар і виміряється
осідання основної палі, що відбувається від спільної дії навантаження N і сил
негативного тертя Рn . Величина осідання основної палі наноситься на графік
залежності "навантаження-осідання" додаткової палі й визначається величина
сумарного навантаження Рsum , що діє на основну палю. Сили негативного тертя
Рn, що діють на основну палю, визначаються як різниця між сумарним
навантаженням Рsum і навантаженням N.
Відповідно до четвертого способу сили негативного тертя визначаються за
результатами випробувань паль статичним навантаженням з точністю, достатньої
для практичних цілей, з використанням графіків:
а) зміни в часі t осіданя S палі під навантаженням Р ;
б) залежності швидкості осідання палі Vpl (у першу годину витримування
навантаження) від навантаження Р.
Існує п’ятий спосіб визначення сил негативного тертя за результатами
випробувань палі статичним навантаженням, що висмикує, за допомогою
установок шатрового й балкових типів. Сила негативного тертя fn приблизно
дорівнює граничному опору fvt ґрунту зрушенню щодо бічної поверхні висмикуючої
палі.
Діючий у цей час СНиП 2.02.04-88 рекомендує визначати негативне тертя
fn за досвідченими даними, а при відсутності їх допускає приймати значення fni по
табл. 2 СНиП 2.02.03-85 (шостий спосіб). За результатами натурних досліджень
установлено, що значення fni , прийняті по СНиП у більшості випадків в 1.3 - 2.1
рази занижують їхні дійсні значення.
Розроблено сьомий спосіб непрямої кількісної оцінки сил негативного тертя,
що діють на палі, по величині прогину стрічкового ростверку. По даним натурних

3. вимірів прогину ростверку d , визначається сумарна сила негативного тертя, Pneg ,
що діє на кожну з паль.
Вихідними даними для дослідження несучої здатності паль був принятий
житловий будинок по вул. В.Забіли, 5 у Голосіївському районі м. Києва. Товщина
фундаментної плити - 1,2м. Геометрично об’єкт 24-поверховий житловий будинок
загальною висотністю 85м над рівнем планувальної відмітки. Фізико-механічними
характеристики грунтів наведені в таблиці (таблиця 1).
Таблиця 1 Фізико-механічні параметри ґрунтів
№ ІГЕ ρn,ІІ ρI IL e φn
,II
φI φsat
n,II
φsat,
I
cn,II cI csat
n,II
c sat
I
E Esat R0
г/см град. кгс/см2
1.Насипний
грунт
1,95 1,90 <0 0,60 - - - - -
-
-
-
180 - 2,0
2.Супісок
твердий
1,93 1,91 <0 0,58 25 22 - - 0,10 0,06 - - 390 - 2,7
3а. Супісок
лесовидний
твердий
1,86 1,83 <0 0,62 28 25 26 23 0,41 0,29 0,04 0,02 350 185 3,5/
1,8
3б. Супісок
лесовидний
пластичний
2,02 1,98 0,87 0,64 9 6 - - 0,24 0,16 - - 210 - 1,8
4. Суглинок
текучо-
пластичний
1,95 1,90 0,96 0,73 17 16 - - 0,30 0,23 - - ПО
-
-
5. Суглинок
м’якопластич-
ний
1,90 1,86 0,73 0,75 18 15 - - 0,20 0,13 - - 120
-
-
6. Мергель
глинистий
напвтвердий
1,87 1,86 0,22 0,94 10 7 - - 0,77 0,59 - - 210
-
-
Примітка: 3,5/1,8 - в чисельнику наведені значення Ro, що відносяться
до просідних ґрунтів в природному стані, в знаменнику - для замочених ґрунтів.
Підземні води на період вишукувань були зафіксовані на глибинах 6,5-7,5 м.
Розрахунок виконаний методом кінцевих елементів з використанням
програми «ANSYS».
Пружно-пластична поведінка описується умовою міцності Друкера-
Прагера. Для бетону прийнято, що параметр сил зчеплення в умові міцності
дорівнює розрахунковому опору бетону розтяганню, bt. Модуль пружності бетону
дорівнює 27500 Мпа, коефіцієнт Пуассона, дорівнює 0,2.
На всіх малюнках розмірність напружень – кПа, осідання/деформації – м,
відстань – м. Напруження, моменти: позитивний знак – розтягання, негативний
знак – стиск.
Для вирішення даної задачі був використаний математичний апарат теорії
пластичності, що використовується в ANSYS, і дозволяє визначати не пружні
деформації, що виникають у ґрунті й бетоні при досягненні певного рівня напруг
(пластичні деформації виникають миттєво й не залежать від часу).
Теорія пластичності дає математичні співвідношення, які характеризують
пружно-пластичну поведінку матеріалу. Для того щоб визначити пластичну
деформацію використаються в програмі три умови: умова міцності; закон течії й
закон зміцнення.

4. Постановка задачі: граничні умови задаються в переміщеннях по
закріпленням на нижній границі вертикальних і радіальних, а на вертикальних
границях тільки радіальних переміщень. Природний напружено-деформований
стан масиву ґрунту враховується в розрахунку шляхом рішення задачі стиснення
основи від власної ваги ґрунту (без палі), що дала вихідні дані для подальших
розрахунків.
У розрахунку для спрощення приймалося, що паля опирається своїм нижнім
торцем на не просідаючий, але що деформується (відповідно до "паспорту"
випробувань ґрунту) шар ґрунту, а фронт замочування розвивається паралельно
горизонтальної поверхні основи, тобто осідання відбувається горизонтальними
шарами (рис. 1).
Рис. 1 Cкінчено-елементна модель
Це відповідає випадкам, коли джерело води перебуває досить далеко, або
спостерігається підйом рівня підземних вод і поступове збільшення вологості
ґрунту до критичної просадки, або замочування основи відбувається зверху на
великій площі.
Дана програма “ANSYS” дозволяє в розрахунках задавати практично будь-
яку закономірність розвитку фронту замочування основи. Розрахунки проводилися
за наступною методикою. Після першого етапу, тобто після визначення природно
напружено-деформованого стану масиву ґрунту в стані природної вологості, на
другому етапі задавалися границі замочування, і в цьому замоченому шарі ґрунту
параметри моделі мінялися на параметри, що відповідають водонасиченому
стану.
У результаті цей шар ґрунту сильно деформувався, моделюючи осідання
основи, і весь вище лежачий масив ґрунту під дією власної ваги осідав, що й
викликало розвиток сил негативного тертя. В обох випадках буроін’єкційна паля
зовнішньою силою не навантажувалась і її осідання були викликані тільки силами
негативного тертя.
Фізико-механічні характеристики лесовидного супіску у природному стані
такі: щільність ρ = 1,86 т/м3, щільність часток ρs = 2,67 т/м3, пористість n= 0,374,
вологість w = 0,09, зчеплення й кут внутрішнього тертя c = 29 кПа і φ = 250. При
замочуванні до ступеня водонасичення ці параметри приймають значення: ρ =
2,02 т/м3, n = 0,348, w = 0,15, с = 2 кПа, φ = 60. Структурна міцність ґрунту основи,
що задається у вигляді початкової поверхні навантаження, була прийнята
постійною по глибині; у стані природної вологості вона дорівнює 0,1 МПа , у
замоченому стані - 0,01 МПа. Прийнята структурна міцність ґрунту в замоченому
стані моделює в розрахунках осідання основи від власної ваги, незважаючи на

5. невелику товщину просідаючої товщі. Це дозволяє простежити за процесами, що
відбуваються в ґрунтових умовах II типу за просіданням. Врахування структурної
міцності, що змінюється, лесового ґрунту основи по глибині приводить до
зменшення осідання палі в граничному стані, але практично не впливає на оцінку
її несучої здатності.
Замочування основи знизу вверх. Поля переміщень, в розрахунках,
ілюструються ізолініями (рис. 2), де знак "+" означає переміщення від стовбура
палі, а знак "-" до стовбура палі. Пунктирною лінією зазначені границі фронту
замочування.
Рис. 2 Замочування основи знизу
а) замочування висотою - 5 м (Ux, м )
б) замочування висотою - 10 м ( Ux, м )
Якщо нижче підошви палі й у верхній частині основи спостерігається рух
точок основи від стовбура палі, то між ними існує зона, де переміщення точок
спрямовані, навпаки, до стовбура палі. І ця закономірність зберігається протягом
усього процесу замочування основи. Ізолінії вертикальних переміщень наочно
ілюструють процес осідання основи. Розрахунки показують, що найбільші
деформації відбуваються тільки в шарі ґрунту, що піддається замочуванню. На
всіх ізолініях вертикальних переміщень можна знайти точку, де осідання палі й
переміщення ґрунту рівні між собою, тобто нейтральну точку.
Після розгляду поля переміщень, можна перейти до аналізу механізму
розвитку негативних дотичних напружень. Поява цих напружень обумовлена тим,

6. що масив ґрунту, осідаючи під дією власної ваги внаслідок замочування нижніх
шарів ґрунту, навантажує буроін’єкційну палю силою, яка обумовлена дотичними
напруженнями, спрямованими вниз. Як показали розрахунки, у загальному випадку
значення цієї сили й осідання палі залежать від багатьох факторів: від режиму й
виду замочування основи, міцностних і деформаційних характеристик ґрунту
основи в природно-сухому і замоченому стані, дотичних напружень на контакті
палі із ґрунтом, розмірів буроін’єкційних паль і т.д.
Рис. 3 Ізолінії переміщень Uy при замочуванні основи знизу (м).
Замочування основи знизу вверх визиває різні сили негативного тертя. При
замочуванні зверху поступово збільшується товщина замоченого шару основи, і
відповідно, зростає просідання, що і визиває збільшення сили негативного тертя.
При замочуванні основи знизу спостерігається деяка інша картина: з однієї
сторони, з підйомом рівня води збільшується просідання основи, яке приводить до
збільшення сил негативного тертя: з іншої сторони, зменшується товщина не
замоченої частини основи, яка має більше, чим замочена частина, контактне
тертя, що знижує інтенсивність росту негативної сили. При досягненні фронту
замочення певного рівня, ці процеси врівноважуються, і з наступним підйомом
підземних вод сила негативного тертя зменшується (рис. 4).
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
TÇ LÑÂ
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
TÇ LÑÂ
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
TÇ LÑÂ
0+0.0053 -0.0053 -0.0106 0+0.0053 -0.0053 0+0.0053 -0.0053 G,Ì Ïà
а б в г д
Рис. 4 Епюри дотичних напружень по боковій поверхні
палі при замочуванні основи знизу.
а – Тз = 2 м; б – Тз = 4 м; в – Тз = 6 м; г – Тз = 8 м; д – Тз = 10 м;
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0+0.0053 -0.0053
TÇ LÑÂ
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0+0.0053 -0.0053
TÇ LÑÂ
-0.0106

7. Швидкість замочування основи визначає темп розвитку сил негативного
тертя. Чим повільніше волога розповсюджується в лесовій основі, тим повніше
реалізується ця сила на боковій поверхні палі. Швидке замочування основи водою
не викликає просідання лесового ґрунту, і відповідно, сил негативного тертя. Це
можна пояснити тим, що пори основи заповнюються водою і лесовий грунт
переходить в зважений стан, так як втрачає частину своєї ваги. Хоч замочування
знижує модуль деформованості лесового ґрунту, але це в багатьох випадках
недостатньо впливає для проявлення просідання основи; вона починається тільки
після пониження рівня підземних вод, що і спостерігається у всіх польових
випробувань паль з замочуванням основи. В натурних умовах змінення рівня
підземних вод відбувається повільно і просідання реалізується ще до повного
вологонасичення грунтів.
Замочування основи зверху. Епюри навантажуючих дотичних напружень
на контакті палі з ґрунтом при замочуванні основи зверху показані на (рис. 4). На
відміну від замочування основи знизу в процесі замочування дотичні напруження
збільшуються і по величині, і по області розповсюдження. Тут максимальне
напруження збільшується не на багато, але положення нейтральної точки при русі
вниз по стовбуру палі змінюється інтенсивно. Тут виникає тільки один процес:
масив ґрунту, осідаючи під дією власної ваги, навантажує палю. Збільшення
товщини замоченого шару ґрунту призводить тільки ж, ще до більш інтенсивного
збільшення довантажуючої сили негативного тертя, що в свою чергу, визиває
осідання палі такої ж інтенсивності.
Підошва палі включається в роботу відразу ж після початку замочування
ґрунту і сприймає основну частину прикладеного навантаження. Тоді, можна
відмітити, що на осідання палі впливає послідовність прикладення навантаження і
замочування просідаючих ґрунтів основи.
Відносні вертикальні переміщення ґрунту основи по глибині можуть бути
отримані вирахуванням із повних переміщень ґрунту осадки палі для кожного
моменту часу. В тій частині палі, де відносні переміщення перевищують осідання
палі, реалізується негативне тертя, які навантажують палю, а де переміщення
мають від’ємний знак – тертя, утримує палю (рис. 5).
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
TÇ LÑÂ
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
TÇ LÑÂ
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
TÇ LÑÂ
0+0.0053 -0.00530+0.0053 -0.0053 0+0.0053 -0.0053 G,Ì Ïà
а б в г д
Рис. 5 Епюри дотичних напружень по боковій поверхні
палі при замочуванні основи зверху.
а – Тз = 2 м; б – Тз = 4 м; в – Тз = 6 м; г – Тз = 8 м; д – Тз = 10 м;
Як було вже сказано, ґрунти, які осідають нависають на палю і утворюють
донавантажуюче негативне тертя на боковій поверхні палі. Величина цього
довантажуючого негативного тертя залежить від різності переміщень ґрунту і палі:
чим більша різність осідань, тим більше і тертя. Але, з іншої сторони, це негативне
тертя, довантажуючи палю, визиває її осадку і тим самим зменшує різність
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0+0.0053 -0.0053
TÇ LÑÂ
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0+0.0053 -0.0053
TÇ LÑÂ
-0.0106

8. осадок, в результаті чого, відповідно, зменшується тертя. В результаті виходить,
що якщо паля не опирається на щільний грунт ( коли паля висяча ), то при
консолідації навколишнього її ґрунту спостерігається осідання і менші
донавантажуючі сили, чим в випадку, коли паля опирається на щільний грунт
(коли паля-стійка ).
Замочування просідаючої основи буроін’єкційної палі знизу вверх являється
більш небезпечним, чим замочування зверху вниз.
У початковий період спостерігається швидкий ріст сил негативного тертя, і
при величині осідання ґрунту Sfn,max , сили негативного тертя досягають
максимального значення fn,max; при подальшому рості осідання ґрунту
відбувається поступове зниження сил негативного тертя до деякої величини
fn,min. Великий вплив на величину fn,max створює напруженно - деформований
стан ґрунту, який утворився в ґрунті після влаштування палі, і вологість ґрунту.
Пояснюється це тим, що в процесі первісного занурення палі в ґрунт в
біляпальовому просторі утворюється переущільнена зона, що робить значний
нормальний тиск на стовбурі палі. Згодом (приблизно через добу після
влаштування палі) відбувається релаксація напруг в біляпальовому масиві ґрунту
й відповідне зниження нормального тиску ґрунту на грані стовбура палі.
Аналіз графіку парної залежності “осідання ґрунту - негативне тертя” -
(Рис. 6,а) дозволив встановити, що на першому етапі спостерігається швидкий ріст
сил негативного тертя й, при досягненні деякого максимуму, спостерігається
різкий спад цих сил. Крутість спадної лінії трохи менша, ніж у висхідної. Явної
тенденції до загасання на спадній кривої не відзначається.
а б
Рис. 6 Залежність сил негативного тертя, які розвиваються
по боковій поверхні палі від осідання ґрунту
а - грунт в природньому стані, б- грунт у водонасиченому стані
З вологим ґрунтом характер парної залежності “осідання ґрунту - негативне
тертя” значно відрізняється (Рис. 6,б). Тут відзначається більш плавний ріст сил
негативного тертя з ростом переміщень ґрунту щодо палі. Значення fn,max
зафіксовані меншими по величині, чим у природному стані ґрунту.
На основі проведених порівняльних розрахунків зроблені наступні висновки:
1. Замочування просідаючої основи буроін’єкційної палі знизу вверх являється
більш небезпечним, чим замочування зверху вниз.

9. 2. При випробуванні палі в природному стані ґрунтів, її несуча здатність склала
250т. При замочуванні водою ґрунтової основи зверху несуча здатність палі
зменшилась до 175т ( тобто на 30 % ), а при замочуванні водою знизу, несуча
здатність палі склала 109т ( зменшилась на 46 % ).
3. Результати досліджень показують, що різниця від виду замочування палі
водою в лесовій товщі складає - 62 %.
4. З отриманих результатів, значення довантажуючих сил тертя по бічній
поверхні палі за чисельним моделюванням становили - 37.9кПа, а за
розрахунками ДБН склали - 16.2 кПа, що майже в 2 рази більше.
ЛІТЕРАТУРА
1. СНиП 2.02.03.-85. Свайные фундаменты, - М.: Стройиздат, 1985.
2. ВБН В.2.1.-1-97. Підсилення фундаментів будівель та споруд, побудованих
на лесових грунтах, буроін’єкційними палями, - К.:1997.
3. Дуничев А.А. Исследование НДС конструкций в “ANSYS”.– M: Стройиздат,
2004-382с.
4. Лазерев А.Л. “ANSYS” в примерах и задачах. ”.– M: Стройиздат, 2003 - 456с.
5. Гольдштейн М.Н., Шугаев В.В. “О характере деформации лессовых
грунтов под фундаментами в процессе замачивания”. Воронеж: ВТУ, 1961 – 204с.
6. Крутов В.И. “Основания и фундаменты на просадочных грунтах”. – Киев:
Будівельник, 1982 – 224с.
7. Абелев Ю.М. “Основы проектирования и строительства на просадочных
грунтах .” – 2-е изд., и доп. М.: Гостройиздат, 1968 – 431с.
АНОТАЦІЯ: Дослідження зміни сил додаткового навантаження на бічній
поверхні паль в лесових ґрунтах при різному характеру їх водонасичення.
Моделювання особливостей взаємодії паль в лесовій товщі. Порівняння
результатів довантажуючих сил тертя в лесових ґрунтах за вимогами ДБН та
даними чисельного моделювання.
АННОТАЦИЯ: Исследование изменения сил дополнительной нагрузки на
боковой поверхности свай в лессовых грунтах при разном характеру их
водонасыщения. Моделирование особенностей взаимодействия свай в лессовой
толще. Сравнение результатов догружающих сил трения в лессовых грунтах
за требованиями СНиП и данными численного моделирования.
ABSTRACT: Research of change of forces of the additional loading on the lateral
surface of piles in loess’s soils at different to the character of their saturation. Design of
features of interaction of piles in a loess layer. Comparison of results of forces of friction
finishing loading in loess’s soils after the requirements State Construction Norms and
data of numeral design.