1. УДК 624.15
Канд. техн. наук, професор М.В. Корнієнко,
аспірант Д.А. Карпенко
РОЗВИТОК МЕТОДІВ ПРОЕКТУВАННЯ ПАЛЬ З РОЗШИРЕННЯМ
В ЛЕСОВИХ ПРОСІДАЮЧИХ ГРУНТАХ
Приводиться аналіз методів визначення несучої здатності
буронабивних паль з розширенням та даються рекомендації щодо
покращення методики визначення граничного опору паль з розширенням в
ґрунтовій просідаючій основі.
Зі збільшенням навантажень на фундаменти поступово збільшувались
і розміри паль. Це вимагало пошуку нових видів паль та розробки
технології їх влаштування. Поряд з забивними в кінці ХІХ століття
з’явились набивні палі, які дозволили значно збільшити поперечний
переріз та довжину паль. Але не тільки цим можна було підвищувати
несучу здатність набивних паль, а й влаштуванням розширення в нижній
частині палі, тим самим збільшуючи площу обпирання на несучий грунт
основи. З досвіду відомо, що використання паль з розширенням дає змогу
збільшити несучу здатність від 1,5 до 3,0 разів проти паль такого ж
діаметру без розширень.
Після впровадження набивних паль в виробництво уже в 20-30-х
роках ХХ століття з’явилися палі, розширення яких влаштовувалось при
камуфлетному вибуху. Головним недоліком цих паль є те, що проведення
вибухів в межах міської забудови сьогодні не допускається. З іншого боку
камуфлетне розширення недоцільно використовувати в слабких
водонасичених глинистих ґрунтах.
На іншому методі влаштування розширень базуються палі
запропоновані в 1950 р. проф. Е.Л. Хлібниковим, що використовувались
при зведенні мостів. На практиці вони також відомі, як палі ЦНИИС. Ці
палі започаткували класичне уявлення про влаштування розширення
шляхом розбурювання. У видозміненому вигляді цей спосіб
використовують до цього часу.
З 50-70 років ХХ століття були запропоновані інші конструкції паль з
розширенням: зі збільшеною опорною площею (розширення за рахунок
втрамбовування, опресування, віброущільненням та ін.); корневидні палі;
палі з наконечником, який розкривається (для збірних паль); козлові палі
та ін. Але вони не змогли конкурувати з буронабивними палями з
розширеною п’ятою, які дають можливість використання різного діаметру
розширення при бурінні, характеризуються простою технологією
влаштування та ін. Фактично тільки буронабивні палі з розширенням
влаштовуються на майданчиках, що складені з лесових просідаючих
ґрунтів II типу.

2. З часом в Італії запропонували влаштовувати декілька розширень по
довжині палі. Це дозволяє додатково збільшити несучу здатність палі ще
приблизно на 20%. Але є значний недолік такого методу в тому, що друге
або додаткові розширення повинні обов’язково приходити на більш
міцніші шари ґрунту, а це не завжди можливо.
Технологія влаштування таких буронабивних паль поступово
покращувалась, перш за все такими організаціями, як Укрбурвод,
Упргідроспецфундамент, що працювали в Україні. Сьогодні палі
підвищеної несучої здатності можна виготовляти і з більш досконалим
обладнанням зарубіжних фірм. Практично розширення за своєю формою є
близькими для різних паль. Діаметр розширення змінюється в межах від
1,0 до 3,0 м і навіть більше.
Як відомо несуча здатність паль всіх типів, що влаштовуються в
лесових ґрунтах при їх водонасиченні значно зменшується. Тому
влаштування паль з розширенням на майданчиках, що складені лесовими
ґрунтами в сьогоднішніх умовах зі значним збільшенням навантаження на
фундаменти є бажаним.
Дослідженням особливостей роботи буронабивних паль з
розширенням займалися такі вчені, як Романов Д.А., Григорян А.А.,
Бахолдін Б.В., Клепіков С.Н., Тригуб А.С., Шокарев В.С., Шокарев О.С.,
Метелюк Н.С., Личов П.П., Таланов Г.П., Работніков А.І., Бахолдін Б.В.,
Берман В.І., Романов Д.А., Пушкаревич В.С., Гільман Я.Д., Косаренко Г.І.,
Абросімов В.Г та ін.
На сьогодні головним питанням при об’єктивному використанні на
практиці є надійне визначення несучої здатності таких паль. Для лесових
ґрунтів це ускладнюється не тільки можливістю пониження несучої
здатності за рахунок зволоження лесової основи, а й проявленням сил
негативного (довантажуючого) тертя в умовах просідаючої лесової товщі
від власної ваги.
Розглянемо особливості визначення несучої здатності паль з
розширенням в лесових ґрунтах більш детально.
Залишається актуальним пошук аналітичних рішень визначення
несучої здатності різних типів паль. Як правило, при цьому
використовують вісесиметричну контактну задачу про циліндричну палю
з конічним розширенням, яка занурена в пружний однорідний ізотропний
напівпростір. Вихідним пунктом рішення поставленої задачі є рівняння
рівноваги теорії пружності в переміщеннях, що відповідають граничним
умовам, які враховують загальну роботу палі з оточуючим ґрунтом. Для
паль без розширення відомі аналітичні рішення Терцагі К., Березанцева
В.Г., Петренка Г.М. та ін. На основі цих фундаментальних робіт, а також
рішення Міндліна багато авторів намагалися отримати більш точні
рішення для паль різних конструкцій. Як показала практика такі рішення є
наближеними. При збільшенні навантаження біля палі спостерігається

3. відрив ґрунту у верхній частині розширення, а як відомо ґрунт в цьому
випадку не може працювати на розтяг. Фактично аналітичні рішення про
несучу здатність як для звичайних, так і для паль з розширенням не дали
бажаного результату.
Головною причиною тут є складнощі у відтворенні реальних
ґрунтових моделей, які не в повній мірі враховують характер проявлення
пружних та пластичних деформацій в палевій основі при збільшенні
навантаження до критичного. На сьогодні цей напрямок вважається
складним і використовується в більшості випадків для аналізу в наукових
цілях.
На теперішній час більш широке поширення завоював на практиці
інженерний метод (аналітично-емпіричний). В цьому випадку для
визначення складових несучої здатності палі по бічній поверхні та під
нижнім кінцем використовують досвідні значення граничного опору
ґрунту. Ці методи є основними, вони включені в діючі норми проектування
пальових фундаментів [1]. Покращення цього методу або підвищення
точності визначення несучої здатності палі з розширенням пов’язане з
врахуванням як регіональних ґрунтових умов, так і технології
влаштування. Проте і на сьогодні різниця в визначенні несучої здатності
розрахунковими методами досягає 20…50% і навіть більше порівняно з
натурою. Це ще раз підтверджує, що головним критерієм в оцінці несучої
здатності паль різної конструкції залишається їх випробування статичним
навантаженням [1, 4].
За останні роки сформувався ще один напрямок вивчення роботи
пальових фундаментів та визначення несучої здатності одиночних паль і
пальових фундаментів – числове моделювання. Тут доцільно назвати
роботи таких вчених, як Бойка І.П., Зоценка М.Л., Зарецького Ю.М.,
Віннікова Ю.Л., Школи А.В., Клованіча С.Ф., Фадеєва А.Б., Шагіна А.Л.,
Моргун А.С. та ін. Як правило в цих роботах розглянуті палі без
розширення. Палі з розширенням та ще в лесових ґрунтах в такій
постановці не розглядалися.
Проте, ці методи маючи свої недоліки дають можливість
досліджувати особливості формування напружено-деформованого стану
(НДС) лесової основи, досліджувати вплив окремих факторів на несучу
здатність паль та пальових фундаментів і на цій основі покращувати
інженерні методи розрахунку паль.
Діючі норми [1, 5] при визначенні несучої здатності буронабивних
паль рекомендують використовувати такі способи:
1) за табличними значеннями величини опору ґрунту по нижньому кінцю
палі R та сил тертя f по бічній поверхні паль;
2) за даними випробування статичним навантаженням (навіть за даними
статичного зондування несуча здатність буронабивних паль нормами не
передбачається).

4. Європейські норми ЄВРОКОД-7 допускають використання модельних
(еталонних) паль для визначення несучої здатності в умовах коли їх
діаметр від натурних паль відрізняється не більш як в два рази.
В усіх цих методах формули визначення несучої здатності по ґрунту,
що приводяться нормами практично не враховують зміни поперечного
перерізу паль на ділянці розширення. Як показала практика, такий підхід
має суттєві недоліки.
При випробуванні паль статичним навантаженням для паль різного
діаметру виникає різниця у визначенні величини граничного навантаження
та несучої здатності паль, що підтверджується різними дослідниками. Це
пов’язано з тим, що при збільшенні розмірів нижнього кінця палі, як і для
звичайних фундаментів, наростає абсолютна величина осідання при
навантаженнях, близьких до критичного.
Сьогодні в практиці спостерігається збільшення діаметру паль, їх
розширення та глибини (довжини) заглиблення. Це породжує нові
додаткові проблеми.
Існуюча в нормах [1] вимога визначення Fu при фіксованій частці
граничної величини середнього осідання основи будівель Su.mt [2]
приводить до оцінки різного рівня реалізації несучої здатності ґрунтової
основи. Для паль звичайного перерізу діаметру 520-820мм (наприклад,
рис.1, крива 1) – це повне вичерпання несучої здатності, в той час як для
паль з розширеною п’ятою (рис.1, крива 2) - це відповідає певному
початковому рівню розвитку пластичних деформацій в основі, а не
вичерпанню її несучої здатності.
Рис.1 Порівняльна оцінка графіків S = f (N) та визначення несучої здатності
буронабивних паль (Набережні Челни, автомобільний завод, поз.1 в табл.1)

5. Така оцінка граничного опору палі Fu, як на нашу думку,
необ’єктивна. Це також підтверджується проведеним аналізом
випробувань буронабивних паль з розширенням в лесових ґрунтах, що
виконувались НДІБК за попередні роки. Як видно з табл.1, є значний
резерв в визначенні фактичної несучої здатності паль з розширенням по
ґрунту. На жаль на сьогодні, для паль з розширеною п’ятою за
рекомендаціями норм [1], маємо необґрунтоване неповне використання
несучої здатності паль, що приводить на практиці до додаткової витрати
матеріалів та підвищення вартості фундаментів. До того ж, цей спосіб
підпорядкований кінцевому результату визначення допустимого
навантаження на одиночну палю.
Таблиця 1
№
п/п
Майданчик випробувань
(місце/автор, рік)
Довжи
на палі,
l(м)
Діаметр
палі,
d(м)
Діаметр
розширен
ня,
D(м)
Несуча здатність палі Fd, кН
визначена за даними вимог
Резерв,
%
СНиП
2.02.03-85
ЄВРОКОД 7
при осіданні палі, мм
16 0,1 d (D)
1 2 3 4 5 6 7 8
1.
Набережні Челни /
Б.В. Бахолдін
(Автомобільний завод,
1975)
12 0,6 1,6 1500 1800 ( ? ) 17
2.
Набережні Челни /
Б.В. Бахолдін
(Автомобільний завод,
1975)
18 0,6 1,6 3500 4150 ( ? ) 16
3.
Набережні Челни /
Б.В. Бахолдін
(Автомобільний завод,
1975)
18 0,6 1,6 4050 4580 ( ? ) 12
4.
Набережні Челни /
Б.В. Бахолдін
(Автомобільний завод,
1975)
13 1,0 2,0 3000 3820 ( ? ) 21
5.
Запоріжжя /А.С. Трегуб
(бул. Центральний, 1976)
23 0,6 1,8 1640 2250 ( ? ) 27
6.
Запоріжжя /А.С. Трегуб
(бул. Центральний, 1978)
28 0,6 1,8 2000 2250 ( ? ) 27
7.
Казахстан / Н.В. Бойко, Д.А.
Романов (1968-1971)
6,5 0,45 1,1 1750 2500 ( ? ) 30
8.
Ростов-на-Дону / Г.І.
Косаренко (1966-1972)
9,0 0,5 1,2 1250 2000 ( ? ) 37
9.
Київ / Н. Метелюк
(Нове місто, 1975)
12,0 1,0 1,9 2500 3450 ( ? ) 28
За рекомендаціями європейських норм ЄВРОКОД 7 при визначенні
несучої здатності паль статичним навантаженням на стиск, приймають
граничне осідання, що дорівнює 0,1d (d – діаметр палі). Ця величина може
значно перевищувати навіть рекомендації норм України [1] по кінцевій
величині осідання палі при випробуванні (Sк = 40мм).

6. Взагалі оцінка по визначенню несучої здатності та осідання паль за
будівельними нормами [1] базувалася на діаметрах паль, що не
перевищують 0,4…0,5м.
Звичайно величина осідання пальового фундаменту може
розглядатися як осідання одиночної палі та осідання ґрунтової основи.
Практично осідання одиночної палі відповідає величині S = f (N) при
заданому рівні навантаження. Тому її граничне значення повинно
призначатися з умови: Sпалі + Sосн. < Su.
Отже, постає питання, використовувати для паль з розширеною
п’ятою d (діаметр стовбура) чи D (діаметр розширення в нижній частині
палі). Якщо, наприклад, прийняти діаметр стовбура палі d = 620мм, то при
0,1d матимемо допустиме навантаження - 62мм, що неповністю
використовує резерв несучої здатності цієї палі (рис.2). Якщо, ж взяти
діаметр розширення D = 1400мм, то при 0,1D матимемо допустиме
граничне навантаження при осіданні палі - 140мм (рис.2). В останньому
випадку таке осідання буде перевищувати величину допустимого Su.mt =
80...100 мм [1]. Очевидно, що вимоги європейських та українських норм
щодо граничного значення осідання для визначення Fu за графіком S = f(N)
є наближеними для можливого діапазону зміни діаметру нижнього кінця
палі і потребують уточнення.
Рис.2 Узагальнений графік S = f (N) випробування одиночної палі з розширенням
по вул. Саксаганського, 13-г в м. Києві (l =17м, d = 620мм, D = 1400мм)
При використанні паль на лесових ґрунтах в умовах II типу за
просіданням виникає необхідність уточнення зони і характеру реалізації
сил тертя по бічній поверхні паль безпосередньо над розширенням. Так, за
вимогами діючих норм [1] при кутах внутрішнього тертя для

7. водонасичених лесових супісків та суглинків ϕ =16-200
, зона під кутом
ϕ /4, буде завищеною. Окрім, того механізм взаємодії ґрунту з бічною
поверхнею палі повинен бути уточненим, так як за спостереженнями
відомо, що в місці примикання стовбура до розширення утворюється зазор
між палею і ґрунтом. Все це свідчить про появу сил тертя по бічній
поверхні стовбура палі з різним ступенем їх реалізації. Величина опору по
бічній поверхні палі залежить також і від інженерно-геологічних умов
ділянки і може змінюватись в широкому діапазоні, що підтверджується
результатами досліджень багатьох авторів (Пушкаревичем В.С.,
Работніковим А.І. та ін).
Таким чином, рекомендації норм [1] про врахування опору ґрунту по
бічній поверхні паль з розширеною п’ятою тільки на верхній ділянці (за
виключенням ділянки, що утворена під кутом ϕ /4) є наближеними для
можливого діапазону зміни діаметру нижнього кінця палі і потребують
уточнення. Над розширеною п’ятою в прилягаючому ґрунтовому масиві
утворюється розвантажуюче склепіння, що значно змінює характер
уявлення про формування НДС навколо розширення та підтверджує
необхідність уточнення меж врахування сил тертя по бічній поверхні паль.
Ці уточнення відносяться перш за все до I типу ґрунтових умов за
просіданням. Для майданчиків з умовами II типу за просіданням, коли
існує можливість проявлення довантажуючого (негативного) тертя,
картина взаємодії палі з розширенням і оточуючим ґрунтом буде значно
змінюватися.
Рис.3 Ізополя осідання палі Рис. 4 Ізополя переміщень ґрунту в
горизонтальному напрямку

8. На основі цього авторами були запропоновані розрахункові схеми при
влаштуванні таких паль в I та II типі ґрунтових умов [6, 7]. При цьому
прийнята пружно-пластична нелінійна модель лесової просідаючої основи
з врахуванням змінних параметрів ґрунту природного та водонасиченого
стану (питома вага,γ ; питоме зчеплення, с; кут внутрішнього тертя, ϕ ;
коефіцієнт Пуассона, v = 0,2…0,35; модуль деформації, En, Esat ; коефіцієнт
фільтрації, kf ; кут дилатансії - λ). Така модель забезпечувала не тільки
визначення НДС основи пальового фундаменту, а і визначення
підтримуючих (I тип) та довантажуючих (II тип) сил тертя по бічній
поверхні паль, яка дала можливість прийняття попередньо уточнених
розрахункових схем пальового фундаменту. На цій основі було виконано
чисельне моделювання роботи палі з використанням програмного
комплексу Plaxis. Як приклад, була розглянута реальна буронабивна паля з
розширенням, запроектованою фірмою ”Основа-Солсиф” для одного з
будівельних майданчиків м. Києва. Геометричні розмірами палі та несучий
шару ґрунту під нижнім кінцем палі: l = 15м; d = 0,8м; D = 1,8м; глина
мергельна. Загальна потужність лесових ґрунтів – 2,8…5,3м.
Отримані результати за величинами деформації основи при
навантаженні, що дорівнювало Fu = 350тс, показано на рис.3 (вертикальні
переміщення) та рис.4 (горизонтальні переміщення). Встановлено, що зона
НДС тісно пов’язана з діаметром розширення. Це призводить до
характерної схеми осідання основи. З іншого боку, горизонтальні
переміщення в найбільшій мірі проявляються тільки на ділянці
розширення. Сили підтримуючих сил тертя по бічній поверхні палі
формуються перш за все, як наслідок проявлення природного тиску ґрунту.
Така просторова модель одиночної палі з розширенням дає змогу
уточнити розрахункову схему для визначення Fu. Зі зміною навантаження
на палю характер НДС основи дещо змінюється. Тому потрібно чітко
уявляти стадію завантаження палі, що буде відповідати реальним умовам її
роботи.
Розроблена модель лесової просідаючої основи була також о
пробувана на інших програмних комплексах, як 3D Z-soil (Швейцарія),
Lira – 9.4 (Україна), ANSYS (США) та CivilFEM (Іспанія). Співставлення
отриманих результатів показало, що в першу чергу на характер
формування НДС лесової основи впливає модель ґрунтового середовища.
Безумовно, що в цій моделі необхідно враховувати можливість розвитку
пластичних деформацій, починаючи з величини структурної міцності
лесового ґрунту відповідного стану. В тестових задачах величиною
структурної міцності – нехтували.
Отже, встановлено, що в розрахунках несучої здатності буронабивних
паль з розширенням в лесових ґрунтах є резерв, як за даними випробувань
статичним навантаженням, так і за результатами чисельного моделювання.

9. Виконані розрахунки та чисельне моделювання підтвердило
доцільність проведення попереднього моделювання для уточнення
розрахункової схеми палі з розширенням, що влаштована в лесовій основі.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:
1. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП
Госстроя СССР, 1986. – 48 с.
2. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений / Госстрой СССР. –
М.: Стройиздат, 1985. – 40 с.
3. Свайные фундаменты. Глотов Н.М., Луга А.А., Силин К.С.,
Завриев К.С. – М.: Транспорт. 1975. – 432 с.
4. ДСТУ Б В.2.1-1-95 (ГОСТ 5686-94). ,, Ґрунти. Методи польових
випробувань палями. ” – 49с.
5. Руководство по проектированию и устройству фундаментов из
буронабивных свай и опор-колонн. НИИСП Госстроя УССР, Киев 1991-
154с.
6. Карпенко Д.А. Дослідження несучої здатності палі в лесових ґрунтах в
залежності від виду замочування ґрунтової основи. - Современные
проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, №3
(8) 2005, с. 165 – 173.
7. Карпенко Д.А. До моделювання напружено-деформованого стану
лесової основи буронабвиної палі з розширенням. // Основи і фундаменти:
Міжвід. наук.- тех. зб. – Вип. 30. – К.: Будівельник, 2006, с. 47-52.