CC BY
145
УДК 624.131
А.С. Ярдаков, Ю.Р. Оржеховский, В.В. Лушников
Экспериментальное исследование плитносвайного фундамента
Аннотация
В статье приводятся результаты наблюдений за распределением и динамикой изменения контактных напряжений (отпора грунта) по подошве комбинированного плитно-свайного фундамента строящегося жилого дома в г. Екатеринбурге.
Yardakov A. S., Orchehovsky Y. R., Luchnikov V. V. Experimental research ofthe is intense-deformed condition ofthe soil basis ofthe combined base.
The article is devot to results ofan experimental research of a condition ofthe soil basis ofthe combined base.
Одной из наиболее эффективных разработок в области фундамен-тостроения являются комбинированные плитно-свайные фундаменты (ПСФ), которые активно изучаются и внедряются в практику строительства в последние несколько лет.
ПСФ представляет собой монолитную плиту, подкрепленную сваями в виде свайного поля, лент, кустов или одиночных свай. При этом обе компоненты фундамента - плита и сваи - являются несущими, обеспечивая передачу нагрузки на грунт основания.
Основная область применения - строительство на слабых, неравномерно сжимаемых, просадочных, насыпных и т.п. грунтах.
Появился целый ряд научных исследований теоретического и экспериментального характера в области комбинированных плитно-свайных фундаментов (работы В.Г. Федоровского, С.Г. Безволева, Д.Ю. Чунюк, А.Л. Готмана, В.В. Лушникова, Ю.Р. Оржеховс-кого, Б.Н. Мельникова и др. [1-4]). По тематике ПСФ защищена докторская диссертация (Н.З. Готман [5]), в которой детально исследуется работа комбинированных плитно-свайных фундаментов на забивных сваях в характерных грунтовых условиях Башкирии с учетом образования карстового провала. Результаты этих и других исследований нашли отражение в ряде нормативных документов федерального и регионального уровня - СП 50-1022003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов», МГСН 2.07-97 «Основания, фундаменты и подземные сооружения», ТСН 50-302-02 «Проектирование оснований и фун-даментовстроящихсяиреконструируемыхзданий и сооружений в г. Ханты-Мансийске».
Последние 20 лет в Свердловской области и в других областях (Кемеровская, Курганская, Пермская, Челябинская, Ростовская, Ханты-Мансийский АО) активно используется новый способ устройства свай, а в более общем плане способ усиления оснований - метод высоконапорной инъекции (ВНИ), являющийся дальнейшим развитием метода цементационного упрочнения [6].
Метод цементационного упрочнения грунтов уже более 100 лет применяется шв строительной практике. Механизм упрочнения заключается в следующем: после внесения в грунт цементного раствора последний проникает в поры грунта, вытесняя воду, а последующее упрочнение грунта обусловлено постепенным твердением раствора.
Метод цементации регламентирован многочисленными нормативными документами, в частности СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений». Однако область его применения строго ограничена только проницаемыми грунтами - крупнообломочными и трещиноватыми скальными, причем давление нагнетания цементных растворов не должно вызывать образования разрывов сплошности закрепляемого грунта.
Какие-либо сведения о возможности применения метода цементации для закрепления связных грунтов в технической литературе отсутствуют. Указанные ограничения казались вполне очевидными: связные грунты, действительно, практически непроницаемы для раствора; как следствие, раствор может неконтролируемо растекаться в грунтовом массиве, не приводя к ожидаемому эффекту. Кроме того, связные водонасыщенные грунты невозможно уплотнить тем давлением, кото-
Лушников
Владимир
Вениаминович
д-ртехн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки России
Ярдаков
Артем
Сергеевич
инженер «УралНИАС»
Оржеховский
Юрий
Рувимович
канд. техни. наук, ст. научный сотрудник института «УралНИИпроект РААСН»
Строительные науки
рое грунт может воспринять по условиям образования трещин гидроразрывов в массиве.
Предложения, обеспечивающие локализацию области инъекции и составляющие существо метода высоконапорной инъекции, следующие:
- инъекция выполняется через специальные инъек-торы (перфорированные трубы) вязкими растворами, которые не будут неконтролируемо растекаться в массиве, но в то же время будут кольматировать образуемые в грунте трещины и разрывы. Как показала практика, оптимальным оказалось применение обычного цементно-песчаного раствора, консистенция (подвижность) которого устанавливается опытным путем;
- инъекция осуществляется по определенной технологии, включающей нагнетание раствора, кратковременную задержку инъекции для «самозалечивания» образующихся трещин и разрывов в грунте, продолжение инъекции и т.д.;
- в цементно-песчаные растворы вводятся специальные добавки, в зависимости от ситуации, замедляющие или ускоряющие процесс твердения цемента;
- после инъекции осуществляется опрессовка массива грунта высоким давлением (1 - 2 МПа), что позволяет улучшить свойства грунта не только в области инъекции, но также в окружающем грунтовом массиве.
Таким образом, производя инъекцию цементно-песчаного раствора по описанной выше технологии, можно обеспечить:
- создание в грунте полости заданных размеров с одновременным заполнением ее прочным твердеющим веществом, т.е. устройство буроинъекционных свай ВНИ;
- армирование грунта жесткими элементами, что после закрепления создает композитный массив с улучшенными до заданных пределов свойствами;
- уплотнение за счет опрессовки массива грунта вокруг закрепленной области, что создает дополнительный эффект, в результате чего свойства окружающего грунта, несомненно, улучшаются и тем самым способствуют повышению несущей способности закрепленного массива в целом.
В последние несколько лет буроинъекционные сваи ВНИ неоднократно использовались в сочетании с монолитной плитой, т.е. в виде комбинированного плитно-свайного фундамента. Кроме того, в нескольких случаях производилось усиление существующих фундаментных плит путем высоконапорной инъекции в грунт под плитой с образованием свай ВНИ и тем самым превращение плиты в ПСФ.
Изготовление ПСФ, подкрепленного сваями ВНИ, включает следующие этапы:
1. Изготовление монолитной фундаментной плиты и установка гильз под сваи ВНИ в тело плиты.
2. Бурение скважин через гильзы и установка инъек-торов.
3. Нагнетание раствора через инъекторы.
4. Опрессовка грунтового массива давлением 1-2 МПа.
В данной статье приводятся некоторые результаты
наблюдений за формированием и развитием напряженно-деформированного состояния грунтового основания комбинированного плитного/свайного фундамента трехсекционного жилого здания по ул. Фрезеровщиков, д. 35, в Орджоникидзевском районе г. Екатеринбурга.
Здание разновысокое: секции 7-, 10-, 14-этажные, с полным сборно-монолитным каркасом. Фундамент выполнен в виде системы монолитных железобетонных плит толщиной 500 мм (под семиэтажную часть) и 600 мм (под 10- и 14-этажную части), подкрепленных
кустами из висячих забивных железобетонных свай и свай высоконапорной инъекции; длина свай 7.0 м.
Выбор конструкции фундамента связан с наличием в геологическом разрезе девяти литологических элементов разного генезиса с различными физико-механическими характеристиками и неравномерным напластованием, включая торф слоем до 2.7 м; различная глубина залегания кровли скальных грунтов.
Под фундаментной плитой 10-этажной секции в бетонную подготовку были установлены тензорезистор-ные преобразователи давления ПДМ-70/ІІ конструкции ЦНИИСК, для регистрации статических деформаций в датчиках используется прибор ЦТИ - 1. Схема расположения датчиков приведена на рисунке 1.
Кроме того, по верху плиты (на подколонниках) были
Рисунок! Схемазаложениядатчиков
установлены геодезические марки для фиксации вертикальных перемещений (осадок) фундамента на различных участках плана.
На декабрь 2008 г. строительство 10-этажной секции завершено, ведутся отделочные работы.
Некоторые характерные результаты измерений приведены на рисунках 2-5.
По результатам наблюдений можно сделать следующие основные выводы.
1. После бетонирования фундаментной плиты, но до выполнения инъекции, давление по подошве (0.02-
0.1 кгс/см2) соответствовало собственному весу плиты с учетом ее частичного «зависания» на более жестких опорах - забивных сваях. Инъекция в грунт цементнопесчаного раствора вызвала резкий прирост (до 0.5 -1.0 кгс/см2) показаний датчиков, расположенных в зоне инъекции или вблизи нее с последующей достаточно медленной релаксацией напряжений практически до прежнего уровня.
2. По завершении инъекции и стабилизации показаний датчиков некоторое время контактное давление по подошве плиты практически не меняется, несмотря на прирост общей нагрузки (рост этажности примерно до уровня 3-4 этажей). Весь прирост на-
0,40
*2 0,35 О
0*0,30
“ 0,25 0)
5 0,20
О)
Ч 0,15
1о,ю
0,05
0,00
Ин ъекци я 12.06.200~ >4.0Ь 2008
3< Ї.09.І 007
14.01 2007
23. 11.20 06
Рисунок 2. Ход показаний датчика № 781
РисунокЗ. Ход показаний датчика № 788
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
04.0 5.200 26. 09.20С
И нъекц ИЯ
30 09.20 07
Г12Л\ .200
14. И.20 Э7
0,40
0,20
/ -04. а
968
863
961 786 86
Номер датчика
843
782
Рисунок 4. Ход показаний датчика № 863
грузки в этот период воспринимается забивными и буроинъекционными сваями практически без прироста осадок (по показаниям марок - не более 1-2 мм), необходимых для мобилизации отпора грунта по подошве плиты. Следующий этап характеризуется развитием осадок висячих свай (по показаниям марок - от 5 до 15 мм). Это приводит к возрастанию давления по подошве примерно пропорционально росту нагрузки (увеличению этажности), причем доля нагрузки, передаваемая на грунт основания непосредственно плитой, составляет 10-20%, соответственно, воспринимаемая сваями - 80-90%.
На одном участке, вблизи свайного куста (зоны инъекции) в осях У/5, зафиксирован резкий прирост давления на последней стадии строительства - до 1.0 кгс/см2 (0.15 МПа). По-видимому, это связано с исчерпанием несущей способности расположенных там буроинъекционных свай и восприятием соответствующего избытка нагрузки непосредственно грунтом под подошвой плиты.
На отдельных датчиках отмечаются также скачки давления в конце зимнего периода с последующим падением в весенний период. Это, очевидно, связано с промерзанием грунта ниже подошвы и развитием нормальных сил морозного пучения.
3. Отпор грунта по подошве плиты минимален внутри или в непосредственной близости от контура свайных кустов ивозрастаетпомереудаления от свай. Это связано с тем, что грунт на контакте со сваей вовлекается в осадку, прежде всего, за счет работы боковой поверхности сваи, а не подошвы ростверка. Однако для кустов буроинъекционных свай разница давлений грунта в опорной (близи кустов) и пролетной зонах меньше, чем для забивных свай. Это обусловлено повышением общей жесткости грунтовогомассивапослевыполненияинъекциииопрес-совки. В частности, как видно из графиков, отпор грунта у куста буроинъекционных свай (фактически - в зоне инъекции) в несколько раз выше, чем на участке в аналогичной близости от забивных свай. Можно заключить, что с точки зрения расчета плитно-свайного
Рисунок5. Разрез 1 -1
фундамента куст из забивных свай можно моделировать традиционным образом - как дискретную систему упруго-пластических стержней (т.е. с конечным пределом прочности). Для свай ВНИ более целесообразно представление зоны инъекции в виде сплошного участка повышенной жесткости (повышенных значений коэффициентов постели) без явного выделения отдельных точечных опор.
Возможный способ назначения соответствующих коэффициентов постели приведен, например, в [8].
Список использованной литературы
1. Богомолов В.А. Метод высоконапорной инъекции связных грунтов при устройстве и усилении оснований и фундаментов: Дис. кан. техн. наук. Пермь, 2002,348 с.
2.Готман А.Л., Каранаев М.З. Исследование работы комбинированных свайных фундаментов на вертикальную нагрузку // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1991. № 6. с. 15-18.
3. Готман Н. 3. Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала: Дис. на соискание док. техн. наук. М., 2004. 348 с.
4. Лушников В.В., Богомолов В.А. Высоконапорная инъекция грунтов как способ создания геотехногенных систем в строительстве. Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий // Материалы Международного симпозиума. Екатеринбург. «Аква-пресс», 2001.
5. Мельников Б.Н., Оржеховский Ю.Р. Напряженно-деформированное состояние геотехногенных систем, включающие подкрепляющие свайные поля // Труды V международной конференции по проблемам свайного фун-даментостроения, Российский национальный комитет по механике грунтов и фундаментостроению, Пермский государственный технический университет, 1996.
6. Оржеховский Ю.Р., Лушников В.В., Оржеховская Р.Я. Оптимизация решений плитных фундаментов на неоднородном основании//Геотехнические проблемы строительства архитектуры и геоэкологии на рубеже XXI века. Темиртау, изд-во Казахстанской национальной геотехнической ассоциации в 2х т., 2003.
