Несущая способность фундаментов с корневидными сваями на глинистых грунтах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.1

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ С КОРНЕВИДНЫМИ СВАЯМИ НА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ

© 2003 г. В.П. Дыба, Н.А. Потапова

Сохранность опорного жилищного фонда является важнейшей задачей сегодня. Решение этой задачи может быть достигнуто за счет:

- грамотной технической эксплуатации опорного фонда городов;

- системного обследования всего жилищного фонда (с объективным определением остаточного срока службы зданий, сооружений и конструкций отдельно);

- своевременного проведения текущего и капитального ремонтов;

- применения современных, экономически выгодных методов реконструкции зданий и сооружений.

Отказы зданий и сооружений стали отличительной чертой последнего времени. Отказ, под которым понимается нарушение (частичное или полное) работоспособности конструкции здания, является результатом взаимодействия большого количества факторов, действие которых может проявляться в течение длительного времени.

Именно поэтому необходим объективный и детальный анализ этих отказов, который позволит выработать практические рекомендации по повышению надежности зданий и сооружений на стадии проектирования и в процессе строительства, эксплуатации.

Опираясь на данные результатов исследования СевказНИПИагропрома по югу России можно сделать вывод о массовом характере грубых нарушений норм и правил в ходе изыскательских работ, строительства и эксплуатации зданий и сооружений, особенно часто связанных с обеспечением надежности оснований и фундаментов.

Грунтовое основание является важнейшим конструктивным элементом любого инженерного сооружения и именно его отказ чаще всего приводит к отказу всего сооружения, следовательно, основным фактором, определяющим надежность оснований сооружений, является достоверность исходных данных - данных о геотехнических свойствах грунтов.

В Ростовской области и Краснодарском крае преобладают водонасыщенные лессовые (лессовидные) суглинки, характеризующиеся высоким значением угла внутреннего трения и удельного сцепления, пористостью 41-44 % (п = 0,78) и показателем текучести менее нуля. Анализируя повреждения и обрушения конструкций в зоне Северного Кавказа, можно сделать вывод, что все они (в основном) связаны с допущенными геотехническими ошибками специалистов, которые можно разделить на три группы.

1. Ошибки при производстве полевых работ:

- недостаточная глубина выработок (сложившаяся ныне практика выявления прочности свойств грунтов при стандартных давлениях 0,1; 0,2; 0,3; МПа не дает возможности достоверно установить свойства грунтов на глубинах более 12 - 15 м);

- большие расстояния между скважинами, следовательно, нет четкой картины особенностей напластования грунтов и достоверных данных о мощности отдельных пластов.

Таким образом, при производстве полевых работ происходит недостоверная оценка прочностных и деформационных свойств грунтов.

Ошибки данного рода приводят к противоречивым выводам, влияющим на выбор фундаментов в период проектирования.

Оценка свойств грунтов должна производиться с учетом глубины отбора образца. При использовании свай 12 м, забиваемых с поверхности котлована глубиной 1 м, деформационные и прочностные свойства грунтов необходимо определять на глубине 13... 18 м. Природное давление на этой глубине составляет 0,26.0,36 МПа. Следовательно, в компрессионных приборах образец должен испытываться до нагрузок 0,56.0,66 МПа при дополнительном давлении 0,3 МПа. В случае применения свай длиной 24 м прочностные свойства грунтов следует устанавливать на глубинах 25.30 м. Природное давление здесь наблюдается в пределах 0,5.0,6 МПа. Значит, в компрессионных приборах образец должен испытываться до нагрузок 0,8.0,9 МПа. Сейчас во многих отчетах об изысканиях образцы грунта исследуются лишь до давления 0,3 МПа или до природного. Свойства же грунтов с глубины 15 м и более при этом остаются не выявленными.

2. Ошибки при определении показателей свойств грунта:

- нарушение норм и правил при транспортировке и хранении образцов, что особенно влияет на влажность грунта (так, при хранении образцов лессовидных суглинков их влажность может снизиться с 0,17 до 0,10). В результате этого у грунта появляется способность к набуханию при замачивании без нагрузок и, как следствие, искаженные результаты относительной просадочности ;

- информация о свойствах грунтов в зависимости от способов отбора проб, проходки выработок оказывается искаженной в разной степени (при шнековом бурении фиксируется перемятая структура грунта, при

ударно-канатном бурении уплотнение достигает 1 м, при колонковом бурении идет нагревание, изменяются влажность, структура образца);

- недостаточный уровень знаний специалистов (при описании грунтов наиболее частой и серьезной ошибкой в отчетах об изысканиях является случай, когда водонасыщенные лессовидные суглинки пористостью 41 - 44 % (п = 0,78) классифицируются как «непросадочные», а по показателю текучести менее нуля - твердыми). При проектировании свайных фундаментов расчетчик, исходя из показателя текучести менее нуля, выбирает сопротивление под нижним концом и на боковой поверхности свай высоким, как для песков гравелистых.

Не обращается внимание на то, что модуль деформации песков гравелистых более 35 МПа, а водо-насыщенных суглинков 6... 7 МПа, т.е. в 5...6 раз меньший. Во столько же раз будет завышена нагрузка на сваю. Здание обречено на сверхнормативные деформации. Нельзя считать нормальным, когда одна организация, производившая изыскания грунтов одного из заводов в пос. Целина Ростовской области отмечает, что в основании «четвертичные» отложения представлены морскими глинами, содержащими редкие линзы песка. Другая охарактеризовала их как «делювиальные верхне-, средне- и нижнечетвертичные отложения, представленные суглинками и глинами». Таким образом, показатели свойств грунтов в их естественном залегании оказываются в ряде случаев худшими, а основания более слабыми, чем они отражаются в отчетах об инженерно-геологических условиях объектов.

Считаем, что точность оценки грунтового основания можно улучшить, используя современные научные данные об этих грунтах. Так, учеными В.И. Осиповым и В.Н. Соколовым [1] было установлено 5 основных типов микроструктур глинистых пород. Разделение на типы стало возможным при использовании просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет определять по форме глинистых частиц одну из главных характеристик глинистых пород - их минеральный состав и дает представление о размере, кристаллохимическом строении частиц глинистых минералов и специфическом поведении их при взаимодействии с водой. Количественно определяя соответствующие микроструктурные параметры, можно не только предсказывать многие свойства глинистых пород, но и дать достоверный прогноз их изменения при различных воздействиях. Предполагаем, что грунты Ростовской области можно отнести к породам с ячеистой микроструктурой, которые отличаются высокой пористостью и способны разжижаться при незначительных увлажнении и вибрациях. При строительстве на подобных породах необходимо помнить об их коварных свойствах и принимать соответствующие меры по защите от замачивания или по упрочнению слабых пород основания.

3. Отсутствие прогноза показателей свойств грунтов на периоды строительства и эксплуатации:

- при наличии в основании насыпных грунтов способных с течением времени значительно уплотняться в период эксплуатации;

- при нарушении структуры грунтов (работа землеройными машинами, динамические воздействия, увлажнение, промерзание, оттаивание, затопление и т. д. в период строительства объектов);

- систематическое замачивание грунтов и фундаментов в период эксплуатации (из-за неудовлетворительного состояния отмостки, тротуаров по периметру здания, а также неисправного состояния водосточных труб);

- вымывание, унос и разжижение грунтов в период эксплуатации (при неисправности подземных систем водоснабжения, канализации, теплотрасс).

Данная группа ошибок в значительной степени отражается как на техническом состоянии фундаментов, так и на здании в целом. Они вызывают ослабление оснований, разрушение фундаментов и преждевременный износ здания.

Необходимо для каждого строящегося здания (в период проектирования) разрабатывать такой пакет документов (своего рода паспорт здания), который бы давал исчерпывающую информацию о поведении оснований в период эксплуатации зданий и сооружений:

- прогноз виброосадок;

- погноз при изменении уровня грунтовых вод;

- учет ползучести глинистых грунтов и т.д.

Выбор принципиальных решений по ремонту здания находится в прямой зависимости от его остаточного срока службы, определяемого техническим состоянием фундаментов и капитальностью стен. Чем больше остаточный срок эксплуатации здания, тем более долговечные и прочные конструкции должны применяться. Нельзя не учитывать и экономическую сторону вопроса.

При выборе наиболее рационального способа усиления оснований и фундаментов можно использовать работы Ф.И. Полищука, в которых подобраны и систематизированы практически все известные на сегодня методы и приемы. Последовательность работ по проектированию оснований и фундаментов реконструируемых зданий прекрасно описана в книге П.А. Коновалова [2].

Многие традиционные способы усиления оснований и фундаментов имеют жесткие условия использования. Конкретным грунтам - конкретный метод усиления, при высокой стоимости и трудоемкости работ. Усиление фундаментов путем устройства буроинъекци-онных свай возможно в любых грунтовых условиях, при этом стоимость работ снижается в 2-2,5 раза.

С помощью буроинъекционных свай можно проводить усиление фундаментов, не разрабатывая котлованы и не нарушая структуры грунтов основания.

При этом применяемое для их устройства оборудование не создает динамических воздействий и, кроме того, оно малогабаритно и может быть установле-

но как снаружи здания (на отмостке), так и в подвальной части реконструируемого здания. Усиление этим способом наиболее целесообразно выполнять, если грунты основания имеют низкую несущую способность. В этом случае часть или всю нагрузку от фундамента передают на более глубоко расположенные прочные слои грунта, для чего устраивают под зданием буроинъекционные сваи - своего рода жесткие корни в грунте.

Лессовые (лессовидные) суглинки - просадочные грунты, преобладающие в Ростовской области. В сухом состоянии они отличаются значительной прочно -стью, относительно высокой несущей способностью и устойчивостью, но при замачивании сжимаемость лесса резко возрастает, что приводит к значительной осадке зданий и сооружений. Вследствие неизбежной неравномерности осадки даже при малых нагрузках на лессовый грунт сооружения резко деформируются с образованием трещин, перекосов и т.д. В отдельных случаях осадка сооружений на лессах может привести даже к аварийным деформациям, причем просадочные явления могут распространяться и за пределы сооружения (иногда радиус может достигать 25 -50 м).

Это значит, что увлажнение просадочного грунта на небольшом участке может вызвать деформацию даже в отдаленно расположенных зданиях

Систематическое замачивание грунтов (как следствие неисправного состояния инженерных сетей, нарушения целостности отмостки) под фундаментами жилого дома по пер. Коммунистическому в г. Ка-менск-Шахтинском Ростовской области (рис. 1) привело к значительным деформациям здания.

Рис. 1. Состояние жилого дома в г. Каменск-Шахтинский

Технологический процесс устройства буроинъек-ционных свай («корней») изложен в книге «Основания и фундаменты реконструируемых зданий» [2].

По опыту работ на реконструкции Старого Гос-тинного Двора в г. Москве угол наклона буроинъек-ционных свай к вертикали не превышал 8-10°. НИИ оснований и подземных сооружений и институтом Гидроспецпроект проведены испытания опытных буроинъекционных свай на нескольких площадках. Испытания показали высокую удельную несущую способность этих свай, но достаточного опыта соору-

жения таких свай в России нет, нет и аналитических методов определения по прочностным характеристикам грунта (и по геометрическим и прочностным характеристикам бетона и арматуры «корней») несущей способности фундаментов на корневидных сваях.

Для решения поставленной задачи оценки несущей способности в данной работе используется предельный анализ пластических систем [3], уже применяющийся в области оснований и фундаментов [4].

Этот метод, заложенный двумя теоремами А.А. Гвоздева, в последнее время превратился в законченный и математически выверенный инструмент изучения предельных состояний в пластических системах.

Согласно предельному анализу, построенное в пластической системе любое кинематическое поле скоростей, не противоречащее ассоциированному (нормальному) закону текучести, порождает верхнюю оценку несущей способности пластической системы.

Пусть «корень» длиной L закреплен в точке О (рис. 2) в теле фундамента и наклонен под углом a к вертикальной оси. Тогда координаты произвольной точки «корня» М (r cos а; r sin а), где r = ОМ.

О

X

Рис. 2. «Корень» закрепленный в точке О в теле существующего фундамента

Скорость точки М складывается из скорости поступательного движения фундамента V0 (Vo, O) и

скорости V вращ, вызванной вращением «корня» вокруг точки О, где в момент потери несущей способности возможно образование пластического шарнира Vвращ (-rarsina; rarcosa), тогда полная скорость точки М определится, как сумма

V = V0 + V v v 0 1 v вращ •

Разложим скорость V на нормальную V ф к вектору ОА и продольную Vr, коллинеарную вектору ОА (рис. 3).

Vr = (VíV = ((Vo + Увращ )?V = cvV =

= V0 cos ar0 = (V0 cos2 a; V0 cos a sin a). С другой стороны,

V = V - Vr = (V0 sin2 a - rorsin arorcos a -

- V0 sin a cos a),

Xp = Vo

Vn

sin a

О

L

М К к

Vr \

Е

Рис. 3. Разложение скорости произвольной точки «корня»

Найдем точку О1 на «корне», в которой Уф = 0. Эта точка находится на расстоянии п = У^ша/ю от точки О закрепления «корня» в фундаменте (рис. 4).

У

О^-►

Рис. 4. Определение центра вращения «корня» Следовательно, движение «корня» складывается из поступательного в направлении вектора ОА со скоростью Vr=V0cosa и вращательного вокруг точки

,VO sin a cos а VO sin2 а

Oi(-

M внутр = Mr + M ф+ Mo,

(1)

Рассмотрим поле скоростей в пластической среде -грунте, вызванное движением в нем «корня». Выберем слой грунта, толщиной перпендикулярный оси «корня».

Рассмотрим кусочно-постоянное поле скоростей (рис. 5), образованное скольжением не деформируемых жестких блоков друг относительно друга. Вне выделенных блоков поле скоростей нулевое

С 2-Я я

А

2л/2 R

Рис. 5. Кинематически допустимое поле скоростей Диаграмма относительных скоростей блоков представлена на рис. 6.

Такое поле скоростей не противоречит ассоциированному (нормальному) закону течения для сред, прочность которых определяется сцеплением, т.е. для глинистых грунтов.

Рис. 6. Диаграмма скоростей Найдем мощность внутренних сил Мвнутр пластического деформирования системы, соответствующую постоянному кинематически допустимому полю скоростей. Мг - мощность внутренних сил, затрачиваемая

на скольжение «корня» в направлении вектора ОА. Мф - мощность внутренних сил, затрачиваемая на пластическое деформирование грунтовой среды. МО -мощность внутренних сил, затрачиваямая в пластическом шарнире в точке О определяется по формуле (1)

Мо = Мпр Ю ,

(2)

где Мпр - предельный изгибающий момент сопротивления «корня», зависящий от величины и способа армирования «корня», от марки бетона «корня».

Если боковая поверхность «корня» 2nRL, а с -сцепление грунта (в зависимости от технологии изготовления «корня» здесь может быть и с! - сцепление грунта с бетоном), то мощность внутренних сил определяем из выражения (3)

Mr = 2nRLcV0 cos а . (3)

Сюда же добавляем мощность сил сопротивления под концом «корня». Мощность Мф определяем как сумму произведений площадей контактов между блоками на относительную скорость между этими блоками на величину сцепления.

dMф = 28V2cRV(pdr ; = 28>/2cRVo

dM „

Vo

dz.

Интегрируя по всей длине «корня» получим

L

M ф = J dM ф = 28V2cRV(

^mL2 V0sin2 a T .

--1—---L sin a

2V0 m

(4)

Тогда, подставляя (2), (3) и (4) в (1), мощность внутренних сил запишем в виде (5).

MBHyTp = 2nRLcV0 cos a + M^m +

28V2cRVf

^fflL2 2Vo

V0 sin2 a m

Л

- L sin a

(5)

Предельный анализ утверждает, что из уравнения мощности внешних сил мощность внутренних сил пластического деформирования определяется верхняя оценка несущей способности «корня». Так, если мощность внешних сил

Mвнеш = NV0 ,

(6)

X

m

m

+

где N - величина вертикальной составляющей предельного сопротивления «корня», то из равенства выражений (5) и (6) получим

q(a ):= Ц-+

Т 2 С

N * = 2 nRLc cos а + M пр Z + 28a/2cR(—^ +

- sin а) - Ls

С

(7)

В выражении (7) введен параметр £ = ю/У0, при любом положительном значении которого формула (7) дает верхнюю оценку неизвестного истинного значения несущей способности, т.е. № > N. Найдем значение С, при котором формула (7) дает лучшую верхнюю оценку, т.е. наименьшую оценку

dN

— = 0 о Mпр + 28л/2СЯ(L sin а

С2

■) = 0.

Из уравнения (8) находим, что

С:

(8)

(9)

L2

Мп

2 28л/2сК

Формула (7) с учетом (9) дает оптимизированную верхнюю оценку несущей способности одного «корня».

Вопрос о количественной оценке степени взаимодействия системы «корней» реконструируемого фундамента представляется сложным В случае, когда число «корней» невелико, можно принять гипотезу о равенстве несущей способности системы корней сумме несущих способностей каждого «корня», т. е.

N*

= 2 N* i=1

(10)

где т - число «корней».

Смысл полученной формулы (10) заключается в том, что проектируемое увеличение несущей способности фундамента при устройстве системы «корней» не может превысить величины (10).

При наличии результатов экспериментов, в том числе численных, в формулу (10) следует ввести понижающие коэффициенты. Тогда формулу (10) можно использовать для расчетов несущей способности фундаментов на корневидных сваях.

Приложение

Несущая способность корня в зависимости от угла наклона:

Ь:= 8 м - длина корня;

т:= 10 кНм - предельный изгибающий момент корня;

Я:= 0,1 м - радиус поперечного сечения корня; с:=30кП - сцепление грунта; к:= 600кН - предельное сопротивление под концом корня;

m

2 28л/2сЯ'

1(а):= ) •

4а (а)

п(а):= - ЬБт(а)+ 8т(а)2 —+ Ь2

^ Ф) 2

Вертикальная составляющая несущей способности корня (рис. 7)

N(а, к):= 2пЯ Ь с со8(а) + т^(а) + + 28 42 с Я п (а) + к со8(а).

Зависимость ^а)от угла наклона корня:

1500

1000

500

0

1,5 а

Рис. 7. Пример расчета вертикальной составляющей несущей способности корня в зависимости от величины угла наклона к вертикали — - N((1,500); - - N(0,50);

-----N(^300); .............. - N(^1000)

Графики показывают, что существует оптимальное значение угла наклона "корня" от вертикали, которому соответствует максимальное значение вертикальной составляющей несущей способности «корня».

Литература

1. Осипов В.И. Соколов В.Н. Формирование микроструктуры глинистых грунтов.

2. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М., 1988.

3. Каменярж К.А. Предельный анализ пластических тел и конструкций. М., 1997.

4. Дыба В.П. Оценки несущей способности железобетонных

фундаментов // Исследования и компьютерное проектирование фундаментов и оснований: Сб. науч. тр./ Ново-черк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1996.

Каменский институт Южно-Российского государственного технического университет (НПИ) г. Каменск-Шахтинский

27марта 2003 г.

2

sin а

+

81п а