CC BY
105
4/2010 М1 ВЕСТНИК
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ В СЕЙСМОСТОЙКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
USING ARTIFICIAL FOUNDATIONS IN THE SEISMIC STABLE
BUILDING
М.И. Панфилова, M.B. Фомина, Г.А. Джинчвелашвили
M.I. Panhilova, M.V. Phomina, G.A. Ginchvalashvili
ГОУ ВПО МГСУ
В статье приведены вопросы повышения прочностных характеристик оснований за счет нагнетания в грунты основания специально подобранных вспененных систем. Показано преимущество указанных систем по сравнению с традиционно применяемыми.
The questions of rise durable characteristics of foundations for using force in foundations choosing specialty whip up systems are leaded in this article. Advantage of that systems are showed in comparison in systems which are used traditionally.
Практика развития строительства в сейсмических районах столкнулась в последние годы с необходимостью возведения сооружений на грунтах третьей категории. Такая задача возникает, например, при новой застройке таких городов, как, Петропавловск-Камчатский, Сахалин, Сочи и др. По действующим СНиП [1] эти районы не пригодны для застройки, поскольку площадка строительства, сложенная грунтами третьей категории, требует повышения расчетной сейсмичности на балл и характеризуется в этом случае 10-балльной сейсмичностью.
В случае, если подстилающий слой неоднороден, согласно [1] расчетная балльность назначается, исходя из свойств грунтов, слагающих верхнюю 10-метровую толщу основания. Однако эта рекомендация не получила достаточного обоснования и ее формальное использование может приводить к парадоксальным результатам [2]. Так, при наличии на площадке строительства слоя плотного грунта толщиной 4,99 м последний в соответствии с [1] не влияет на сейсмичность площадки, и она относится к 10-балльной; при толщине же слоя 5,01 м он преобладает в верхней 10-метровой толще, и площадка относится к 8-балльной, т.е. расчетные нагрузки на сооружение отличаются в этом случае в четыре раза.
Указанную рекомендацию Норм пытаются использовать на практике, полагая, что устройство искусственного основания в виде гравийной подушки толщиной 5 м позволит обеспечить сейсмостойкость сооружения, возводимого на таком основании, но такое решение требует детального обоснования. При этом необходимо не только оценить оптимальную толщину уплотненной подушки, но и определить также ее размеры в плане и характеристики упругости. Однако необходимые рекомендации по данному комплексу вопросов отсутствуют.
В отдельных случаях, когда несущая способность подушки недостаточна для обеспечения устойчивости данного сооружения, возникает необходимость применять
ВЕСТНИК 4/2010
другие решения, в том числе искусственное основание в виде свайного ростверка с промежуточной грунтовой подушкой. При этом сваи повышают несущую способность основания, а промежуточная подушка выступает в качестве сейсмоизолирующего элемента между свайным ростверком и сооружением. Такая конструкция фундамента впервые была применена в конце 50-х годов в Чили при строительстве металлургического завода в Консепсьоне. Сооружения на таких фундаментах хорошо перенесли Чилийское землетрясение 1960 г.
Детальные экспериментальные исследования таких фундаментов проведены в НИИОСП В. А. Ильичевым, Ю. В. Монголовым и В. М. Шаевичем. Ими, в частности, показано, что большая часть горизонтальной нагрузки от здания воспринимается вследствие трения подошвы фундамента по подушке из щебня [3].
На основе этих исследований [1] рекомендуют применение свайных фундаментов с промежуточной подушкой в сейсмических районах. Следует отметить, однако, что в [2, 3] даны подробные рекомендации по проектированию и расчету рассматриваемых фундаментов в сейсмических районах, но отсутствуют необходимые данные для проектирования зданий на таких фундаментах.
Такая ситуация сдерживает применение прогрессивных технических решений в сейсмостойком строительстве и требует разработки методов расчета сооружений на искусственных основаниях.
Произведем оценку влияния искусственного основания на сейсмичность площадки строительства. Требуемого снижения сейсмичности (максимальных ускорений) на площадке строительства можно добиться за счет соответствующего подбора размеров и свойств искусственного основания.
За счет инъекции в существующий грунт основания вспененных глиноцементных растворов можно изменять механические свойства основания. Параметры искусственного основания можно подбирать в зависимости от глубины обработки существующего основания.
На рис. 1 и рис. 2 приведены графики зависимости прочности глиноцементных растворов с различными добавками в зависимости от времени твердения.
Рис. 1 Графики зависимости прочности глиноцементных растворов с добавками крахмала в зависимости от времени твердения: 1 - без добавок; 2 - 0.05 мг/г; 3 - 0.1 мг/г;4 - 0.2 мг/г.
4/2010
ВЕСТНИК _МГСУ
ПС.Н1/
40
и »
а* »
10 *
о
*
У
Л 1 1
и
—
|
14
21
гь
Рис. 2 Графики зависимости прочности глиноцементных растворов в присутствии жидкого стекла и различных добавок крахмала в зависимости от времени твердения: 1 - без добавок; 2 - 0.02 мг/г; 3 - 0.05 мг/г;4 - 0.1 мг/г.
Приведем методику и пример подбора параметров искусственного основания в виде прямоугольной подушки из однородного грунта с измененными физико-механическими характеристиками.
Опыт расчетов искусственных оснований [2] показывает, что эпюра ускорений на дневной поверхности при наличии подушки грунта с измененными физико-механическими характеристиками имеет вид, показанный на рис 3. Эта эпюра характеризуется постоянными значениями ускорений Й в центральной части подушки с ростом в области границы подушки и естественного грунта с приближением по мере
удаления от подушки максимальных ускорений к величине . — ускорениям дневной
поверхности в отсутствии подушки.
Часть поверхности подушки, на которой имеет место рост ускорении, не может служить основанием сооружения
Толщина подушки к подбираться из условия требуемого уровня снижения уско-
и/
рении, определяемого отношением
.0
Это отношение зависит при заданном моду-
ле деформации материала подушки от ее толщины к (рис.3в).
В соответствии с изложенным при заданных упругих характеристиках грунтов основания и подушки размеры последней могут быть определены с использованием
графиков зависимости и/. . от к и а от к в следующем порядке (см. рис.3):
/ У 0
- по графику и/.. - к определяется толщина подушки, обеспечивающая требуе-/ .0
мое снижение ускорении на площадке строительства;
ВЕСТНИК 4/2010
- по найденной толщине к и графику а(к) определяется размер зоны роста ус-
корений и :
- определяется ширина подушки В.
б) в)
Рис. 3. К определению параметров искусственного основания для снижения сейсмичности
площадки строительства: а) эпюра ускорений на поверхности основания; б) зависимость протяженности зоны неоднородности ускорений от толщины подушки; в) зависимость относительного снижения ускорений от толщины подушки; модуль упругости подушки 600 кГ/см2, грунта—80 кГ/см2.
На рис. 4 показаны эпюры ускорений поверхности подушки при В=40 м.
й £
т
-- н 1'
_ / — 1 —/ 0 <
¡3 л?
ХЖЯ
5 & & Я Я
Рис. 4. Эпюра ускорений на дневной поверхности при наличии уплотненной подушки шириной В = 40 м для различных значений толщины к :
1) к = 0; 2) к = 1 м; 3) к = 5 м.
На рис. 3 и рис. 4, приведенных в [2] зависимости и/.. от к и а от к построе-
/ у0
ны применительно к случаю продольных и поперечных колебаний типовых жилых здании на подушке с модулем упругости
4/2010 М1 ВЕСТНИК
Из рисунков видно, что в рассматриваемом случае в расчетах поперек оси здания целесообразно увеличение толщины подушки до 3 м. При этом сейсмичность площадки строительства может быть снижена чуть больше, чем на 0,5 балла. Дальнейшее увеличение толщины подушки не приводит к заметному снижению ускорений на площадке. Это связано с тем, что на глубине 5 м принятые в расчет характеристики грунта мало отличаются от характеристик подушки. Как показано в [2], при худших грунтовых условиях эффективность искусственного основания значительно возрастает. В случае, когда модуль упругости основания постоянен (не растет с глубиной) и составляет 8 МПа (80 кГ/см2), расчетная балльность площадки строительства может быть снижена на 2 балла.
Таким образом, грунтовые условия существенно сказываются на эффективности применения подушки. Выводы
Применение вспененных глиноцементных растворов позволяет значительно изменять структурно-механические свойства основания. В зависимости от глубины обработки существующего основания можно подбирать параметры искусственного основания таким образом, чтобы снизить сейсмичность площадки строительства.
Литература
1. СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах. М.: ЦНС, - 48 с.
2. Уздин A.M., Сандович Т.А., Аль-Насер-Мохамад Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб.: ВНИИГ им. Веденеева, 1993. - С. 176.
3. Ильичев В.А., Монголов Ю.В., Шаевич В.М. Свайные фундаменты в сейсмических районах. - М.: Стройиздат, 1983.
Literature
1. SNiP II-7.81* stroitelstvo v seismicheskih raionah. M: CNS. 48 s.
2. Uzlin A.M., Saidovich T.A, Al-Naser-MohamaD Samix Amii. Osnovi teorii seismostoikosti i seismostoikogo stroitelstva zdanii I soorugenii. Shb VNIIG im. Vedeneeva, 1993.- S. 176
3. Il'ichev V.A., Mongolov U.V., Shaevich V.M. Svainie fUndamenti v seismicheskih raionah -M Stroiizdat, 1983
Ключевые слова: вспененные системы, бентонит, сейсмостойкое строительство, сейсмичность площадки строительства, грунты основания, вспененные глиноцементные растворы, искусственное основание
Key words: Whip up systems, bentonit, seismic stable building, seismic of ground's building, grounds offoundation, whip up clay-cement solutions, artificial foundation
irina.panfilova@bk.ru propoi@inbox.ru guram2004@yandex.ru
Рецензент: Кофф Г.Л., Президент AHO НИИЦ «Геориск», доктор геолого-минералогических
наук, профессор, академик РАЕН
