CC BY
51
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.159.5
ПОЛИЩУК АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ofpai@mail.ru
Кубанский государственный аграрный университет, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, sdgsamara@mail.ru
ОСИПОВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, osip1809@rambler.ru
ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, аспирант, annafilich@mail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ЛЕНТОЧНОГО ФУНДАМЕНТА И ИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ЕГО УСИЛЕНИЯ В ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ
Приведены результаты моделирования совместной работы ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай, используемых для его усиления. Моделирование выполнялось на базе программного комплекса PLAXIS 3D Foundation. Установлены зависимости приращения осадок образованного комбинированного фундамента (ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай) от его геометрических параметров, интенсивности нагрузок и физико-механических характеристик грунтов основания. Разработаны предложения, которые позволяют прогнозировать конечные осадки комбинированного фундамента реконструируемого здания.
Ключевые слова: реконструкция; ленточный фундамент; примыкающие инъекционные сваи; комбинированный фундамент; осадка фундамента.
ANATOLII. I. POLISHCHUK, DSc, Professor, ofpai@mail.ru
Kuban State Agrarian University, 13, Kalinin Str., 350044, Krasnodar, Russia DMITRII. G. SAMARIN, PhD, A/Professor, sdgsamara@mail.ru
© А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, С.П. Осипов, А.А. Филиппович, 2014
SERGEI. P. OSIPOV, PhD, A/Professor, osip1809@rambler.ru
ANNA. A. FILIPPOVICH, Research Assistant, annafilich@mail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
A STUDY OF COLLABORATION OF STRIP FOUNDATION AND INJECTION PILES IN CLAY SOILS
The paper presents results of numerical modeling of collaboration of strip foundation and injection piles used for its strengthening. Numerical modeling has been performed using the bundled software PLAXIS 3D Foundation. Increment functions were obtained for combined foundation settlements (strip foundation and adjacent injection piles) and its geometrical parameters, load intensity, mechanical-and-physical properties of soils. Methods of prediction of final settlements of combined foundations of reconstructed buildings are suggested in this paper.
Keywords: reconstruction; strip foundation; adjacent injection piles; combined foundation; foundation settlement.
В последние годы в условиях реконструкции зданий и сооружений широкое распространение получил способ усиления фундаментов мелкого заложения путем передачи части нагрузки на инъекционные сваи [1-4]. Однако до настоящего времени вопросы оценки совместной работы элементов комбинированного фундамента (ленточного фундамента и инъекционных свай), перераспределения нагрузок между ними, прогнозирования конечных осадок фундамента после его усиления сваями изучены пока недостаточно [5].
Ниже рассматривается подход к оценке совместной деформации основания ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай*, которые используются для его усиления в глинистом грунте. В дальнейшем по тексту статьи ленточный фундамент после его усиления называется комбинированным фундаментом.
Поставленная задача решалась моделированием в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation [6] поведения комбинированного фундамента в грунтовом массиве с последующей математической обработкой полученных результатов. Для этого была создана расчетная модель (система) «ленточный фундамент - инъекционные сваи - грунт основания», применительно к которой были разработаны конечно-элементные расчетные схемы (рис. 1).
Для моделирования грунтового массива (грунтового основания) использовалась упруго-пластическая модель Мора - Кулона, которая требовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона v, удельного сцепления с, угла внутреннего трения ф и угла ди-латансии у. Для моделирования материала ленточного фундамента
* Под примыкающими инъекционными понимаются сваи, устраиваемые в непосредственной близости от боковых поверхностей существующего фундамента; они формируются в предварительно подготовленных скважинах путем инъекции под давлением подвижной бетонной смеси с последующей их опрессовкой [2, 3, 7].
и инъекционных свай также задавались параметры: коэффициент Пуассона -V , удельный вес - у, модуль упругости Е , модуль сдвига С .
Расчет производился в три стадии: 1 - определение деформаций грунта от его собственного веса и их обнуление; 2 - определение деформаций грунта основания от собственного веса заданных строительных конструкций; 3 -приложение нагрузки и выбор точек для определения деформаций грунта в основании ленточного фундамента и инъекционных свай (рис. 1).
Рис. 1. Конечно-элементные расчетные схемы для моделирования системы «ленточный фундамент - инъекционные сваи - грунт основания»:
а - схема нагружения ленточного фундамента; б - схема нагружения комбинированного фундамента (ленточный фундамент и инъекционные сваи); в - схема нагружения инъекционных свай; 1 - грунтовый массив; 2 - ленточный фундамент; 3 - инъекционные сваи; 4 - балка
Исследования взаимодействия комбинированного фундамента с грунтом основания проводились при следующих его геометрических параметрах: ширина подошвы фундамента Ьлф, м, изменялась от 0,6 до 2,1 м; длина инъекционных свай Ьсв, м - от 3 до 12 м; диаметр сваи а?св, м, принимался равным 0,1; 0,2; 0,3 м. Общая нагрузка на комбинированный фундамент Лобщ, характеризующая его нагружение до и после реконструкции здания, изменялась в зависимости от ширины подошвы ленточного фундамента и обеспечивала заданное давление рлф, кПа, на основание. Нагрузка принималась сосредоточенной на участках длиной 1 пог. м. Усиление ленточного фундамента выполнялось на этапе, когда давление по его подошве рлф становилось больше расчетного сопротивления грунта основания Я (рлф > Я).
Грунты основания в пределах глубины до 15 м сложены однородными суглинками, имеющими следующие физико-механические характеристики: плотность грунта р = 1,7-1,9 г/см3; плотность частиц грунта = 2,71 г/см3; угол внутреннего трения ф = 12-22 град; удельное сцепление с = 12-25 кПа, модуль деформации грунта Е = 5, 10, 15 МПа. В моделируемом основании комбинированного фундамента были выделены уплотненные зоны грунта вокруг инъекционных свай, в которых характеристики грунта принимались с учетом его уплотнения [3].
Для получения данных по осадкам фундаментов (ленточного и комбинированного), а также отдельно по осадкам инъекционных свай рассматривались следующие этапы моделирования:
1. Моделирование нагружения ленточного фундамента до нагрузки Лобщ, при которой давление по его подошве рлф достигало значения расчетного сопротивления грунта основания Я (рлф = Я). В рассматриваемых грунтовых условиях эта нагрузка на основание в уровне подошвы фундамента была равна примерно 120 кН/м (рис. 2, участок а-б) и являлась безопасной для рассматриваемого здания. Дальнейшее нагружение ленточного фундамента производилось до значения Лобщ, кН/м, при котором его осадка достигала предельно допустимой величины равной 10 см1. Эта нагрузка на основание для рассматриваемых грунтовых условий составляла Лобщ = 500-550 кН/м, что соответствовало значению давления по подошве рлф = 830-920 кПа. По результатам нагружения ленточного фундамента строился соответствующий график осадки (рис. 2, кривая 1).
2. Моделирование нагружения ленточного фундамента, усиленного примыкающими инъекционными сваями, при котором давление по его подошве превышало значение расчетного сопротивления грунта основания рлф > Я. При этом строился соответствующий график осадки комбинированного фундамента (рис. 2, кривая 2), на котором выделялась нагрузка Лобщ, кН/м, соответствующая давлению рус по подошве ленточного фундамента после его усиления, равного расчетному сопротивлению грунта основания Я (рус = Я). В рассматриваемых грунтовых условиях нагрузка Лобщ на комбинированный фундамент, передающаяся на грунт основания подошвой ленточного фундамента и примыкающими
1 СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
инъекционными сваями, была равна Лобщ = 320-330 кН/м [2]. Давление по подошве ленточного фундамента после его усиления равно рус = 200 кПа. При этом нагрузка на каждую сваю составила Лсв = 104,3 кН, что в 1,7-1,9 раза меньше несущей способности инъекционной сваи по грунту - ^ = 175-200 кН [6, 7]. Таким образом, при выполнении условия рус = Я несущая способность свай и, соответственно, всего комбинированного фундамента имеет значительный запас. Проверка этого условия (рус = Я) может выполняться при проектировании усиления фундаментов зданий и сооружений, где предъявляются повышенные требования к их деформациям. Далее комбинированный фундамент нагружался до значения Лобщ = 900-950 кН/м, при котором его осадка достигала предельно допустимой величины - Би = 10 см. На кривой 2 рис. 2 была выделена также нагрузка (Лобщ = 600-650 кН/м), при которой ее доля, приходящаяся на одну сваю (Лсв = 193,1 кН), соответствовала несущей способности сваи по грунту2 ^ (Лсв < При этом условие Лсв < ^ является основным для обеспечения несущей способности комбинированного фундамента.
Рис. 2. График осадок фундаментов (ленточного, комбинированного) и примыкающих инъекционных свай:
1 - осадка ленточного фундамента с шириной подошвы Ьлф = 0,6 м; 2 - осадка комбинированного фундамента при Ьлф = 0,6 м с примыкающими инъекционными сваями (Ьсв = 9 м; dcв = 0,2 м); 3 - осадка для двух примыкающих инъекционных свай без сопряжения их с фундаментом (Ьсв = 9 м; dcв = 0,2 м); Лобщ - общая нагрузка на фундаменты (ленточный, комбинированный) на участке длиной 1 пог. м или нагрузка на две примыкающие инъекционные сваи без сопряжения их с фундаментом на участке длиной 1 пог. м
3. Моделирование нагружения отдельных инъекционных свай (две сваи на участке длиной 1 пог. м). Это давало возможность выяснить их поведение при различных нагрузках Лсв без совместной работы с ленточным фундамен-
том реконструируемого здания. В рассматриваемых грунтовых условиях сваи нагружались до потери их несущей способности. Это соответствовало значению нагрузки Лсв = 375-400 кН, приходящейся на две сваи (рис. 2).
Данные графика (рис. 2) показывают эффективность работы комбинированного фундамента в глинистом грунте. Так, в случае усиления ленточного фундамента шириной Ьлф = 0,6 м примыкающими инъекционными сваями длиной Ьсв = 9 м, диаметром dсв = 0,2 м и обеспечения после его усиления условия рус < R передаваемая на грунт комбинированным фундаментом нагрузка (Л^общ = 320-330 кН/м) будет в 1,5-2,0 раза больше по сравнению с нагрузкой на основание ленточного фундамента ((Лобщ = 120 кН/м) до его усиления. При обеспечении основного условия Лсв < Fd (рис. 2) общая нагрузка, передаваемая на грунт комбинированным фундаментом (Лобщ = 600-650 кН/м), значительно возрастает.
При усилении ленточного фундамента инъекционными сваями (или другими видами свай) происходит перераспределение общей нагрузки Лобщ между элементами образованного комбинированного фундамента. Авторами разработан подход (получено уравнение), позволяющий определять доли нагрузок, передаваемых на грунт основания ленточным фундаментом и инъекционными сваями при их совместной работе [2]. Этот подход был использован при разработке инженерного метода прогнозирования конечных осадок ленточных фундаментов, усиленных инъекционными сваями в условиях реконструкции зданий.
Конечная полная осадка ленточного фундамента, усиленного инъекционными сваями, с учетом нагрузок до и после реконструкции здания определяется выражением
^ = ^лф +^ус , (1)
где S — конечная осадка ленточного фундамента, усиленного инъекционными сваями, за весь период эксплуатации здания, см; S^ - осадка ленточного фундамента до его усиления (до реконструкции здания), см; Sус — осадка комбинированного фундамента (ленточного фундамента после его усиления) за период после реконструкции здания, см.
Осадка ленточного фундамента до его усиления S^ (до реконструкции здания) может определяться экспериментально либо расчетом, например, методом послойного суммирования3 и др.
Осадка (конечная) комбинированного фундамента Syc, см, после реконструкции здания определяется из условия
S, = Sa + Sad + Мвв, (2)
где S^ - осадка одиночной инъекционной сваи, см2; Sad - осадка сваи от влияния на нее близко расположенных одиночных свай (групповой эффект свай)4; ASm - приращение осадки комбинированного фундамента от взаимного влия-
3 СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
4 СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85.
ния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента), см.
Осадка одиночной примыкающей инъекционной сваи (£св) определяется известными методами5. При этом, если таких свай устраивается более двух, то дополнительно рекомендуется учитывать и влияние группового эффекта на осадку рассматриваемой сваи от близко расположенных свай (£^).
Приращение осадки комбинированного фундамента (Л5вв) от взаимного влияния его конструктивных элементов определяется на основании уравнения, полученного авторами настоящей статьи. Для этого было смоделировано нагру-жение комбинированного фундамента при различных его геометрических параметрах и проведены тестовые расчеты (табл. 1). Рассматривался ленточный фундамент с шириной подошвы Ьлф = 2,1 м, который усиливался примыкающими инъекционными сваями длиной Ьсв = 6 м, диаметром в = 0,2 м. Нагружение комбинированного фундамента Ллф производилось в пределах Лобщ = 210-630 кН/м. Доля от общей нагрузки, передаваемая на грунт ленточным фундаментом, изменялась в пределах от 138 до 378,6 кН/м, а доля от общей нагрузки Лсв, передаваемая на грунт инъекционными сваями, - от 72 до 251,4 кН. Перераспределение общей нагрузки Лобщ между элементами комбинированного фундамента определялось в соответствии с решениями, опубликованными в работе [2]. На каждом метре длины ленточного фундамента устанавливалось по две сваи. Тогда нагрузка на одну сваю (на участке длиной 1 пог. м) составляла от Лсв = 36 кН до Лсв = 125,7 кН.
Таблица 1
Расчетные осадки элементов комбинированного фундамента
Комбинированный фундамент
Инъекционные сваи
Ьлф = 2,1 м; Ьсв = 6 м; ^в = 0,2 м
Лобщ, кН .Л кН ЛСв, кН £дф = ^св(1 ^ см Лсв, кН $ж(2), см
210 138,0 36,0 1,2 36,0 0,3 0,9
315 196,2 59,4 1,65 59,4 0,5 1,15
420 255,6 82,2 2,1 82,2 0,7 1,4
525 316,4 104,3 2,7 104,3 1,0 1,7
630 378,6 125,7 3,4 125,7 1,3 2,1
Тестовые расчеты, выполненные в ПК Plaxis 3D Foundation, показали, что осадка примыкающих инъекционных свай комбинированного фундамента (ЗД изменяется от 1,2 до 3,4 см, а осадка отдельных инъекционных свай без их примыкания к ленточному фундаменту (£св(2)) - в пределах от 0,9 до 2,1 см (рис. 3). Увеличение осадок инъекционных свай свидетельствует о взаимном влиянии элементов комбинированного фундамента (инъекционных свай и ленточного фундамента). Тогда в рассматриваемом примере приращение осадки инъекционных свай в составе комбинированного фундамента и, следовательно, всего комбинированного фундамента А^вв может быть определено как
^вв = $.(>)- ^в(2) . (3)
Рис. 3. Результаты моделирования нагружения инъекционных свай:
1 - осадка примыкающих инъекционных свай комбинированного фундамента;
2 - осадка отдельных инъекционных свай без учета их совместной работы с ленточным фундаментом;
Мсв - нагрузка на инъекционную сваю; Д?вв - приращение осадки комбинированного фундамента (приращение осадки примыкающих свай комбинированного фундамента) при Ьлф = 2,1 м; Ьсв = 6 м; dсв = 0,2 м
Выполненные расчеты позволили установить зависимости, показывающие влияние конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента) на приращение осадки комбинированного фундамента Д^вв (рис. 4). Поскольку параметр Д^вв является определяющим при формировании конечной осадки ленточного фундамента после его усиления 5ус, формула (2), то полученные закономерности будут справедливы в целом для комбинированного фундамента.
При увеличении длины свай Ьсв приращение осадки Д^вв комбинированного фундамента уменьшается (рис. 4). Например, при длине инъекционных свай Ьсв = 3 м ^св = 0,2 м) и ширине подошвы фундамента Ьлф = 2,1 м приращение осадки комбинированного фундамента Д5вв от взаимного влияния его конструктивных элементов примерно в 2,7 раза больше (Д5вв = 2,5 см), чем при Ьлф = 0,6 м (Д5вв = 0,9 см), при одинаковом давлении по их подошве рус = 200 кПа.
О 3 6 9 12 ¿св, м ОН-■-1-■-1-■-1---'---
: [
6лф=0,6 м . ¿>лф=1.2 м ____ _________I_________1_________
\
£>лф=2.1 м
■
д£вв, СМ
Рис. 4. Приращение осадки комбинированного фундамента Д5вв в зависимости от длины свай Ьсв и ширины подошвы фундамента Ьлф:
А£вв - приращение осадки комбинированного фундамента, см; Ьсв - длина сваи, м; Ьлф - ширина подошвы ленточного фундамента, м; dсв = 0,2 м - диаметр сваи
Результаты моделирования работы комбинированного фундамента в глинистых грунтах при его нагружении (рис. 4) были обобщены и проанализированы. На основании аппроксимации полученных данных [8-10] было составлено уравнение (4), которое позволяет определять приращение осадки комбинированного фундамента от взаимного влияния его конструктивных элементов:
^св = [^0 + VI • Рус + V • Ьлф + V • Ру2с + V • Ьл2ф + V ' Рус ' Ьлф ]св + ^^^
+ [Ро +Р1 • Рус +Р2 Аф +Р3 • Р2с +Р4 А2ф +Р5 • Рус Аф ],
где у0, у2 ... у5 и р0, рь р2 ... р5 - параметры аппроксимации (табл. 2); рус -давление по подошве ленточного фундамента после его усиления примыкающими инъекционными сваями, кПа [2]; Ьсв - длина примыкающей инъекционной сваи, м; Ьлф - ширина подошвы ленточного фундамента, м.
В уравнении (4) параметры аппроксимации принимаются при заданных значениях диаметра инъекционных свай dсв и модуле деформации грунта Е.
Таблица 2
Значения параметров аппроксимации для уравнения (4)
dсв = 0,1 м
Е = 5 МПа Е = 10 МПа Е = 15 МПа
-0,025 Р<> 0,516 -0,025 Ре 0,519 -0,025 Р0 0,544
VI -3,681-Ю-4 Р1 6,231-10-3 -1,476-Ю-4 в1 2,089-10_з -5,064-Ю-5 Р1 1,299-Ю-4
2,25-Ю-4 Р2 2,294-Ю-4 2,25-Ю-4 Р2 2,3-Ю"4 2,25-Ю-4 Р2 9,028-Ю-4
Уз 5,859 10-7 Рз -9,484-10-6 Уз 3,771-10"7 Рз -4,973-10-6 Уз 1,522-10-7 Рз -8,6з6-10-7
Окончание табл. 2
йсв = 0,1 м
Е = 5 МПа Е = 10 МПа Е = 15 МПа
¥4 2,5-10-3 в4 3,135-10-3 ¥4 2,5-10-3 в4 3,404-Ю-3 ¥4 2,5-10-3 в4 0,01
¥5 -3,877-Ю-4 в5 6,41810-3 ¥5 -2,681-Ю-4 в5 4,174-Ю-3 ¥5 -1,529-Ю-4 в5 2,225-Ю-3
5, % 12,5 10,2 11,8
йсв = 0,2 м
Е = 5 МПа Е = 10 МПа Е = 15 МПа
¥0 -0,025 Рс 0,52 ¥0 -0,025 в0 0,515 ¥0 -0,025 в0 0,541
¥1 -3,355-Ю-4 Р1 5,77-Ю-3 ¥1 -1,156-Ю-4 в1 1,826-10-3 ¥1 -3,527-10-5 в1 -2,755-Ю-6
¥2 2,25-Ю-4 в2 2,295-Ю-4 ¥2 2,25-Ю-4 в2 9,022-Ю-4 ¥2 2,25-Ю-4 в2 9,027-Ю-4
¥з 5,46-Ю-7 вз -8,326-Ю-6 ¥з 2,635-10-7 вз -3,057-Ю-6 ¥3 9,908-Ю-8 в3 -4,884-Ю-7
¥4 2,5-10-3 в4 3,16610-3 ¥4 2,5-10-3 в4 0,01 ¥4 2,5-10-3 в4 0,01
¥5 -3,817-Ю-4 в5 6,055-10-3 ¥5 -2,411-Ю-4 в5 3,496-10-3 ¥5 -1,399-Ю-4 в5 2,094-10-3
5, % 10,2 10,0 11,6
йсв = 0,3 м
Е = 5 МПа Е = 10 МПа Е = 15 МПа
¥0 -0,025 в0 0,536 ¥0 -0,025 в0 0,532 ¥0 -0,025 в0 0,53
¥1 -2,866-Ю-4 в1 5,366-Ю-3 ¥1 -7,11910-5 в1 1,225-Ю-3 ¥1 1,444-10-6 в1 -3,019-Ю-4
¥2 2,25-Ю-4 в2 2,296-Ю-4 ¥2 2,25-Ю-4 в2 9,023-Ю-4 ¥2 2,25-Ю-4 в2 9,028-Ю-4
¥з 4,272-Ю-7 вз -7,241-Ю-6 ¥з 1,409-Ю-7 вз -1,517-Ю-6 ¥3 1,217-10-8 в3 8,61610-7
¥4 2,5-10-3 в4 3,16410-3 ¥4 2,5-10-3 в4 0,01 ¥4 2,5-Ю-3 в4 0,011
¥5 -3,666-Ю-4 в5 5,81410-3 ¥5 -2,244-Ю-4 в5 3,225-Ю-3 ¥5 -1,3-Ю-4 в5 1,693 10-3
5, % 12,2 10,3 13,3
Примечание. 5 - относительная среднеквадратичная погрешность аппроксимации, %. Промежуточные значения параметров и характеристик грунтов определяются интерполяцией.
Таким образом, на основании выполненных исследований показан подход к определению конечной осадки комбинированного фундамента с учетом совместной работы ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай в глинистом грунте в условиях реконструкции и восстановления зданий.
Пример. Исходные данные. Требуется определить конечную осадку ленточного фундамента S, см, усиленного инъекционными сваями, за весь период эксплуатации здания. Необходимость усиления фундамента здания вызвана его реконструкцией, в результате которой предполагается надстройка дополнительно двух этажей. Здание без подвала. Ширина подошвы существующего ленточного фундамента Ьлф = 1,2 м, глубина заложения й = 2,0 м; вертикальная нагрузка от надземных строительных конструкций здания после его реконструкции составляет Кобщ = 242,4 кН/пог. м. Нагрузка от
веса фундамента равна Слф = 57,5 кН/пог. м. Тогда вертикальная суммарная нагрузка, действующая в уровне подошвы ленточного фундамента, составит ТДп = Робщ + Олф = 242,4 + 1,2 • 2,0 • 1,0 • 24 = 300 кН/пог. м. Усиление ленточного фундамента предусмотрено примыкающими инъекционными сваями. Предварительно принимаем сваи длиной Ьсв = 5 м и диаметром в = 0,3 м.
Рис. 5. Расчетная схема комбинированного фундамента (ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай) для определения его конечной осадки 1 - ленточный фундамент; 2 - примыкающие инъекционные сваи; 3 - монолитные железобетонные балки
В основании фундамента здания до глубины 14 м от поверхности залегает однородный глинистый грунт - суглинок мягкопластичный, имеющий следующие физико-механические характеристики: плотность р = 1,8 г/см3; угол внутреннего трения ф = 17 град; удельное сцепление с = 20 кПа; модуль деформации Е = 10 МПа. Расчетное сопротивление грунта основания (до усиления фундамента) составляет Я = 203 кПа6. Предварительно также установлено, что конечная осадка ленточного фундамента до его усиления составляет7 5лф = 4 см. Расчетная схема фундамента здания представлена на рис. 5.
Решение. Вычислим давление рлф по подошве ленточного фундамента до его усиления:
Рлф = ТРи/А = 300/1,2 • 1,0 = 250 кПа > Я = 203 кПа.
6 СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
7 Там же.
Фактическое давление по подошве рлф = 250 кПа превышает на 23 % расчетное сопротивление грунта основания R = 203 кПа Следовательно, необходимо выполнить усиление ленточного фундамента. Принимаем по две примыкающие инъекционные сваи на каждый метр длины фундамента (¡св = 5 м; ёСв = 0,3 м).
При заданных параметрах комбинированного фундамента давление рус по его подошве [2] будет равно
«О Г лф 2 л /-ч ч ^ 224,853 ____ _
Рус = «1 + ¡^ + а3 Рлф + «4 J± + JT + a6 Рлф = 33,106--5"0--0,095 •250 +
св св
250 + 409368 _5,348 ^ _25q2 = ^ ^ 5 52
В соответствии с рекомендациями [2] доля нагрузки Длф, %, передаваемая на грунт ленточным фундаментом, составит
Длф = (Рус • 100 %)/рлф = (104 • 100 %)/250 = 41,6 %.
Тогда часть нагрузки Ылф, кН/пог. м, приходящейся на 1 пог. м ленточного фундамента, составит
^ф = ZMi • Длф/100 % = 300 • 41,6/100 = 124,8 кН/пог. м.
Доля нагрузки Дсв, %, передаваемая на грунт примыкающими инъекционными сваями, будет равна
Дсв = 100 % - Длф = 100 - 41,6 = 58,4 %.
Усилие N^, кН, приходящееся на одну инъекционную сваю на участке фундамента длиной 1 пог. м, составит
Кв = 0,01(£Nn • Дсв)/2 = 0,01(300 • 58,4)/2 = 87,6 кН,
тогда 2 • Na = 175,2 кН/пог. м - на две инъекционные сваи на участке 1 пог. м.
Это усилие N^ = 87,6 кН должно уравновешиваться (восприниматься) несущей способностью инъекционной сваи Fd, которая может быть установлена расчетом с учетом радиального уплотнения грунта вокруг ее ствола [7]. В этом случае несущая способность инъекционной сваи составит Fd = 125,65 кН. Выполняем проверку условия:
NCB < FJjk = 87,6 кН < 125,65/1,4 = 89,75 кН, где ук = 1,4.
Запас по несущей способности сваи составляет 2 %.
Далее определяем осадку одиночной инъекционной сваи8:
S№ = в • NJGj • Ьсв = 0,517 • 87,6/1589 • 5 = 0,97 см.
При этом учитываем также увеличение осадки сваи Sad за счет группового эффекта свай9:
Sad = 5 • NJG¡ • ЬСв = 0,58 см.
8 СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85.
9 Там же.
При известных параметрах свай (длина Ьсв = 5 м, диаметр Лсв = 0,3 м) и давлении по подошве фундамента после его усиления рус = 104 кПа с помощью уравнения (4) определяем приращение осадки комбинированного фундамента АЗвв от взаимного влияния его конструктивных элементов:
А^вв = [-0,025 - 7,119 • 10-5 • 104 + 2,25 • 10-4 • 1,2 + 1,409 • 10-7 • 1042 + + 2,5 • 10-3 • 1,22 - 2,244 • 10-4 • 104 • 1,2] • 3 +
+ [0,532 + 1,225 • 10-3 • 104 + + 9,023 • 10-4 • 1,2 - 1,517 • 10-6 • 1042 + + 0,01 • 1,22 + 3,225 • 10-3 • 104 • 1,2] = 0,93 см.
Тогда осадка комбинированного фундамента Зус, см, после реконструкции здания, согласно уравнению (2), составит
£ус = £в + Зал + А^вв = 0,97 + 0,58 + 0,93 = 2,46 см.
Конечная осадка ленточного фундамента З, см, усиленного инъекционными сваями, за весь период эксплуатации здания, уравнение (1), будет равна
З = Здф + ЗуС = 4,0 + 2,46 = 6,46 см,
где Злф - осадка ленточного фундамента до его усиления, установлена условиями задачи и равна Злф = 4 см.
Выводы
1. Выполненные исследования показывают эффективность работы комбинированного фундамента (ленточного фундамента после его усиления инъекционными сваями) в глинистом грунте. Например, в случае усиления ленточного фундамента с шириной подошвы Ълф = 0,6 м примыкающими инъекционными сваями длиной Ьсв = 9 м, диаметром Лсв = 0,2 м передаваемая на глинистый грунт комбинированным фундаментом нагрузка будет в 1,8-2,5 раза больше по сравнению с нагрузкой на грунт основания, передаваемой ленточным фундаментом до его усиления (при давлении по подошве ленточного фундамента после его усиления рус < Я).
2. Установлено, что при усилении ленточного фундамента инъекционными сваями происходит перераспределение общей нагрузки между элементами образованного комбинированного фундамента. Выявлено, что при нагружении комбинированного фундамента в однородном глинистом грунте возникает приращение осадки АЗвв от взаимного влияния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента). Так, при длине инъекционных свай Ьсв = 3 м и диаметре Лсв = 0,2 м приращение осадки комбинированного фундамента АЗвв при ширине подошвы Ълф = 2,1 м примерно в 2,7 раза больше, чем при Ълф = 0,6 м, при одинаковом давлении по подошве фундамента рус = 200 кПа.
3. По результатам исследований разработаны предложения, которые позволяют прогнозировать в однородных глинистых грунтах конечные осадки комбинированного фундамента (ленточного, усиленного инъекционными сваями) реконструируемого здания или сооружения.
Библиографический список
1. Полищук, А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий / А.И. Полищук. - 3-е изд., доп. - Нортхэмптон : STT; Томск : STT, 2007. - 476 с.
2. Полищук, А.И. Оценка загружения ленточных фундаментов в однородных глинистых грунтах при их усилении инъекционными сваями / А.И. Полищук, Д.Г. Самарин, А.А. Филиппович // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 4. - С. 256-262.
3. Петухов, А.А. Совершенствование способа устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2006. - 22 с.
4. Brandl, Н. Micropiles for underpinning/undercrossing of historical buildings, Conference Reconstruction of Historical cities and geotechnical engineering, St.Petersburg, 2003. - P. 119-126.
5. Yamashita, К. Recent case histories on monitoring settlement and load sharing of piled rafts in Japan / K. Yamashita, T. Yamada & J. Hamada // Deep foundations on bored and auger piles. Van Impe & Van Impe (eds). Taylor & Francis Group, London. - 2009. - P. 181-193.
6. PLAXIS 3D Foundation v.1. / Eds. R.B.J. Brinkgreve & W. Broere. - Abingdon e.a.: Balkema, 2004.
7. Шалгинов, Р.В. Совершенствование метода расчета инъекционных свай в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тюмень, 2010. - 23 с.
8. Воскобойников, Ю.Е. Регрессионный анализ данных в пакете Mathcad / Ю.Е. Воскобой-ников. - Санкт-Петербург : Лань, 2011. - 224 с.
9. Панюкова, Т.А. Численные методы / Т.А. Панюкова. - М. : Либроком, 2010. - 226 с.
10. Кирьянов, Д.В. Mathcad 14 / Д.В. Кирьянов. - Санкт-Петербург : БВХ-Петербург, 2007. -704 с.
References
1. Polishchuk A.I. Osnovi proektirovaniya i ustroistva fundamentov rekonstruiruemikh zdanii [Basics of design and construction of reconstructed buildings foundations]. 3rd edition. Northampton: Tomsk: STT Publ., 2007. 476 p.
2. Polishchuk A.I, Samarin D.G., Filippovich A.A. Ocenka zagrugeniya lentochnih fundamentov v odnorodnikh glinistikh gruntakh pri ih usilinii in"ektsionnimi svayami [The evaluation of sallow foundations loading while their strengthening with injaction piles]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No. 4 (38). Pp. 256-262. (rus)
3. Petukhov A.A. Sovershenstvovanie sposoba ustroistva in"ektsionnykh svay v slabikh glinistikh gruntakh dlia uslovii reconstrukcii zdaniy [The perfection of injaction pile calculation method in clay soils for the conditions of buildings reconstruction. PhD Thesis]. Tomsk, 2006. 22 p. (rus)
4. Brandl Н. Micropiles for underpinning/undercrossing of historical buildings, Conference Reconstruction of Historical cities and geotechnical engineering, St.-Petersburg, 2003. Pp. 119-126.
5. Yamashita K, Yamada T & Hamada J. Recent case histories on monitoring settlement and load sharing of piled rafts in Japan. Deep foundations on bored and auger piles. Van Impe & Van Impe (eds). Taylor & Francis Group. London. Pp. 181-193.
6. PLAXIS 3D Foundation v.1. / Eds. R.B.J. Brinkgreve & W. Broere. Abingdon e.a.: Balkema. 2004.
7. ShalginovR.V. Sovershenstvovanie metoda rascheta in"ektsionnykh svay v glinistikh gruntakh dlia uslovii reconstrukcii zdaniy [The perfection of injaction pile calculation method in clay soils for the conditions of buildings reconstruction. PhD Thesis]. Tumen, 2010. 23 p. (rus)
8. Voskoboynikov Yu.E. Regressionnyy analiz dannykh v pakete Mathcad. [The regression analysis of data in Mathcad]. St.-Petersburg: Lan' Publ., 2011. 224 p. (rus)
9. Panyukova T.A. Chislennye metody [Numerical methods]. Moscow: Librokom Publ., 2010. 226 p. (rus)
10. Kir'yanovD.V. MathCad 14. St.-Petersburg: BVKh-Peterburg Publ., 2007. 704 p. (rus)
