CC BY
48
Б01: 10.15593/2224-9826/2015.2.05 УДК 624.15
Я.А. Пронозин1, М.А. Степанов1, Д.В. Волосюк2
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет,
Тюмень, Россия Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,
Владимир, Россия
ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗОН ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОПРЕССОВАННОГО ГРУНТА ОСНОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ЛЕНТОЧНЫХ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Рассмотрено взаимодействие крупномасштабной модели комбинированного ленточного свайного фундамента с предварительно опрессованным глинистым грунтовым основанием в полевых условиях. Предварительная опрессовка грунтового основания позволяет существенно улучшить физико-механические свойства грунтов в пролетной части, уменьшить их сжимаемость в активном слое, создать дополнительное обжатие боковым давлением свай, что приводит к увеличению их несущей способности и, соответственно, уменьшению количества. При действии начальных ступеней эксплуатационной нагрузки предварительно опрессованное грунтовое основание в активном слое работает в соответствии с модулем разгрузки Ее.
Натурные исследования выполнялись на экспериментальной площадке, расположенной на надпойменной террасе р. Тура. Абсолютные отметки поверхности 76,40-77,00 м. Рельеф площадки спокойный. В геологическом строении изучаемого разреза площадки принимали участие отложения верхнечетвертичного и современного возраста, представленные суглинками различного генезиса, состава, состояния и насыпной грунт мощностью 0,75 м, состоящий из суглинка, песка и строительного мусора. Уровень грунтовых вод был зафиксирован на глубине 2,6 м от поверхности земли. Воды безнапорные и приурочены к прослоям песка в суглинистой толще. Питание подземных вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Отбор проб грунта производился под центром исследуемого фундамента, глубина отбора проб - 0,25; 0,7; 1,15; 1,6; 2,05; 2,5; 2,95 м.
В статье представлены результаты изменения физических и механических характеристик грунтового основания до опрессовки и после произведенного нагружения. Отмечено существенное улучшение строительных свойств грунта в пролетной части фундамента.
Ключевые слова: комбинированный фундамент, ленточный фундамент, свая, крупномасштабная модель, опрессовка, грунтовое основание, экспериментальные исследования, физические характеристики, механические характеристики.
Ia.A. Pronozin1, M.A. Stepanov1, D.V. Volosiuk2
Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering,
2
Vladimir State University named after Alexandr and Nikolay Stoletovs,
Tyumen, Russian Federation ersity named after Alexandr an Vladimir, Russian Federation
PRE-PRESSING SOIL PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES ESTIMATE OF COMBINED STRIP PILES FOUNDATIONS GROUND BASE
The article discusses the interaction between large-scale model of combined strip pile foundations with pre-pressed loam ground base in field condition. The ground base pre-pressing improves physical-mechanical soil properties between pile strips, decreases soil compressibility effect in active zone and makes additional lateral pressure on the piles. It increases pile bearing capacity and consequently scales back the number of piles. And on the primary stage of operation load, pre-pressed active zone soil works in according with unloading modulus Ee.
The in situ testing site situates on the Tura river upland fringe. Absolute height is 76,40-77,00m. The surface relief is naked. In terms of geological aspects, the testing site consists of Upper Quaternary and recent deposits. It were loam with different genesis, structure, conditions and 0,75 m of man-made ground consisting of loam, sand and construction waste. A Groundwater level is on the 2,6 m below the surface. The ground water is non-artesian and coordinates with sand layer into loam soil. Inflow seepage is made by atmospherical condensation.
Soil samples were from the 0,25; 0,7; 1,15; 1,6; 2,05; 2,5; 2,95 m depth under the centre of experimental foundation. The article presents the results of physical and mechanical ground base characteristics changes before pre-pressing and after loading. The soil structural properties between strip pile were improved.
Keywords: combined foundation, strip foundation, pile, large-scale model, pressing, ground base, experimental research, physical properties, mechanical properties.
Наличие слабых подстилающих грунтов на территории Тюменской области вызывает ряд трудностей проектного и производственного характера при строительстве высотных и повышенной этажности зданий [1, 2]. Для обеспечения требования непревышения предельно допустимых осадок разработан комбинированный ленточный свайный фундамент (КЛСФ) с предварительной опрессовкой грунтового основания, выполняемой за счет нагнетания под давлением растворной смеси (рис. 1) [3].
Данный вид фундаментов существенно отличается от известных комбинированных фундаментов, которые в настоящее время широко применяются во всем мире и исследованию которых посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых [4-10]. Предварительная опрессовка грунтового основания позволяет существенно улучшить
строительные свойства грунтов в пролетной части, уменьшить их сжимаемость в активном слое, создать дополнительное обжатие боковым давлением свай, что приводит к увеличению их несущей способности и, соответственно, уменьшению количества. При действии начальных ступеней эксплуатационной нагрузки предварительно опрессованное грунтовое основание в активном слое работает в соответствии с модулем разгрузки Ее [11].
Рис. 1. Фрагмент КЛСФ с предварительной опрессовкой грунтового основания: 1 - пологая армированная оболочка; 2 - криволинейное искусственное основание с нагнетенным раствором (после твердения раствора - плита переменной жесткости); 3 - ленточный ростверк; 4 - свая; 5 - несущие стены; 6 - пленка; 7 - армирующая сетка оболочки; 8 - перфорированный инъектор; 9 - предварительно опрессованное
естественное основание
Для качественной оценки изменения физико-механических свойств грунтового основания в ранее не нагруженной пролетной части после его опрессовки под давлением цементным раствором, статического нагруже-ния и разгрузки фундамента [3] были отобраны пробы грунта для комплексных лабораторных исследований.
В геоморфологическом отношении площадка располагалась на надпойменной террасе р. Тура. Абсолютные отметки поверхности 76,4077,00 м. Рельеф площадки спокойный. В геологическом строении изучаемого разреза площадки принимали участие отложения верхнечетвертичного и современного возраста, представленные суглинками различного генезиса, состава, состояния, и насыпной грунт мощностью 0,75 м, состоящий из суглинка, песка и строительного мусора.
Первым слоем естественного сложения на глубине 0,75-1,45 м являлась глина тугопластичная желтая ожелезненная. Ниже залегал слой суглинка желтого ожелезненного тугопластичной консистенции мощностью 0,45 м. Далее находились два слоя серожелтого суглинка текучепластичного с включением гнезд и конкреций ожелезнения,
мощность каждого слоя 0,45 м. Ниже на глубине 2,8-3,7 м залегал суглинок мягкопластичный желтый ожелезненный мощностью 0,9 м. Ниже до глубины 6,15 м залегал суглинок серый ожелезненный тугопла-стичной консистенции.
Уровень грунтовых вод был зафиксирован на глубине 2,6 м от поверхности земли. Воды безнапорные и приурочены к прослоям песка в суглинистой толще. Питание подземных вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков.
Отбор проб грунта производился под центром исследуемого фундамента, глубина отбора проб - 0,25; 0,7; 1,15; 1,6; 2,05; 2,5; 2,95 м (рис. 2-5). Лабораторные исследования грунтов с целью определения физико-механических свойств были выполнены согласно ГОСТ 518084 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик», ГОСТ 12248-2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости», ГОСТ 251002011 «Грунты. Классификация».
Камеральная обработка полученных материалов была выполнена в соответствии с требованиями ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация», ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний», СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства». После этого было произведено сравнение физико-механических характеристик грунтового основания до оп-рессовки и после произведенного нагружения грунтового основания. Полученные результаты сведены в таблицу.
Рис. 2. Разработка грунта вдоль Рис. 3. Откопка исследуемого КЛСФ
исследуемого фундамента на экспериментальной площадке
Рис. 4. Откопанный КЛСФ (вид снизу). Рис. 5. Линии отбора проб грунта Сформировавшаяся нижняя поверхность под центром исследуемого фундамента объединяющей плиты переменной жесткости, сваи фундамента
Сравнение значений физико-механических характеристик слоев грунта под центром фундамента до опрессовки и после произведенного нагружения
1-й слой (глубина 0,75-1,45 м) 2-й слой (глубина 1,45-1,9 м)
Характеристика До опрессовки После До опрессовки После
грунта опрессовки А опрессовки А
и нагружения и нагружения
Вид грунта Глина тугопла-стичная Глина полутвердая - Суглинок тугопла-стич Суглинок полутвердый -
W, % 25 22 412 % 26 20 423 %
% 39 39 - 34 30 411,8 %
Wp, % 19 20 |5 % 21 19 |9,5 %
1р, % 20 19 - 13 10 -
4, д.ед. 0,3 0,11 - 0,38 0,1 -
у, кН/м3 18,2 19,1 |4,7 % 18,9 19,3 |2,1 %
уА кН/м3 14,6 15,7 |7 % 15,0 16,1 |6,8 %
у5, кН/м3 27,0 27,0 - 26,9 26,8 -
е, д.ед. 0,85 0,72 ^ 15,3 % 0,79 0,67 415,2 %
Яг, д.ед. 0,80 0,83 - 0,88 0,81 -
ф", град 19 20 |5 % 10 15 |33,3 %
с ", кПа 28 37,5 |25 % 13 23,5 |44,6 %
Продолжение таблицы
3-й слой (глубина 1,9-2, 35 м) 4-й слой (глубина 2,35-2,8 м)
Характеристика грунта До опрессовки После опрес-совки и на- Д До опрессовки После опрессовки Д
гружения и нагружения
Суглинок Суглинок Суглинок Суглинок
Вид грунта текучепла- тугопластич- - текучепла- текучепла- -
стичный ный стичный стичный
W, % 34 29 415 % 33 32 43 %
% 35 34 |2,8 % 36 35 43 %
Wp, % 20 19 45 % 21 20 45 %
1р, % 15 15 - 15 15 -
1ь, д.ед. 0,93 0,47 - 0,8 0,8 -
у, кН/м3 18,6 19,0 42,6 % 18,7 18,8 41 %
у а, кН/м3 13,9 14,5 4 4 % 14,1 14,5 43 %
У?, кН/м3 26,8 26,8 - 26,9 26,8 -
е, д.ед. 0,93 0,84 410 % 0,90 0,84 47 %
Бг, д.ед. 0,98 0,93 - 0,98 0,97 -
Ф", град 12 16 425 % 14 13 -
с", кПа 19 25,8 426,3 % 21 21 -
Окончание таблицы
Характеристика грунта 5-й слой (глубина 2,8-3,7 м)
До опрес-совки После опрессов-ки и на-гружения Д
Вид грунта Суглинок мягкопла-стичный Суглинок мягкопла-стичный -
W, % 30 29 43 %
WL, % 35 33 46 %
Wp, % 19 19 -
1р, % 16 14 -
4, д.ед. 0,69 0,71 -
у, кН/м3 18,8 19,1 41,5 %
у а, кН/м3 14,5 14,8 42 %
Уз, кН/м3 26,9 26,9 -
е, д.ед. 0,85 0,82 43,5 %
Бг, д.ед. 0,94 0,94 -
Ф", град 17 16 -
с", кПа 18 19 -
Анализ изменения физических характеристик грунтового основания до опрессовки и после произведенного нагружения основания показал, что максимальное уплотнение произошло в слое грунта непо-
средственно под подошвой плиты переменной жесткости, объединяющей ленточные свайные фундаменты. Удельный вес грунта у данного слоя увеличился на 4,7 %; удельный вес скелета грунта уа - на 7 %; коэффициент пористости е уменьшился на 15,3 %. В соответствии с изменением показателя текучести грунт изменил консистенцию - из ту-гопластичной перешел в полутвердую глину. Также сильное уплотнение зафиксировано во 2-м слое, там природная влажность W уменьшилась на 23 %, грунт изменил консистенцию с тугопластичного суглинка до полутвердого. Сравнение физических характеристик ниже залегающих слоев грунта показало, что уплотнение произошло и в них, но в несколько меньшей степени (удельный вес грунта увеличился на 1-3 %; коэффициент пористости уменьшился на 3-10 %).
Анализ изменения механических характеристик показал, что деформируемость всех залегающих под подошвой усиленного фундамента слоев грунта существенно уменьшилась. Об уплотнении свидетельствует повышение значения модуля деформации £компр (для слоя, находящегося непосредственно под подошвой фундамента, - в 2 раза); удельное сцепление с " также увеличилось в результате произведенного уплотнения грунтового основания.
Таким образом, напряжение грунта опрессовкой искусственного основания оболочки позволяет существенно улучшить строительные свойства грунтов в пролетной части, тем самым снизив сжимаемость в активном слое, а также повысить несущую способность свай за счет дополнительного обжатия боковым давлением свай.
Библиографический список
1. Тетиор А.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала и Тюменской области. - Свердловск: Средне-Урал. Изд-во, 1971. - 91 с.
2. Ким Б.Г., Пронозин Я. А., Волосюк Д.В. Устройство ленточных фундаментов мелкого заложения, объединенных пологими оболочками // Механизация строительства. - 2014. - № 9. - С. 9-14.
3. Тер-Мартиросян З.Г., Пронозин Я. А., Степанов М.А. Обоснование использования свайно-оболочечных фундаментов с предварительно напряженным грунтовым основанием // Основания, фундаменты и механика грунтов. Сер.: Механика грунтов. - 2012. - № 4. - С. 2-5.
4. Готман Н.З. Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала: дис. ... д-ра техн. наук. -М., 2004. - 348 с.
5. Шулятьев О.А. Фундаменты высотных зданий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2014. - № 4. - С. 203-245. DOI: http://dx.doi.Org/10.15593/2224-9826/2014.4.19
6. Эль-Моссалами Й. Устройство фундаментов высотных зданий на сжимаемых грунтовых основаниях // Международный журнал «Геотехника». - 2010. - № 4. - С. 21-41.
7. Hanisch J., Katzenbach R., Konig G. Kombinierte Pfahl-Plattengriindung // In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis «Pfahle» der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik (DGGT). - Ernst & Sohn, 2002.
8. Poulos H.G. Piled-raft foundations - design and applications // Geotechnique. - 2001. - Vol. 50, № 2. - P. 95-113.
9. El-Mossallamy Y. Economic Design of Piled Raft Foundations for high-rise buildings and bridge foundations // International Conference on Geotechnical Engineerin. - Beirut, 2004.
10. Lutz B., Morauf D., Scheffler J. Kombinierte Pfahl-Plattengrundungen Modellversuche und Berechnungen // FGeoBAU. - Berlin, 2010. -Bd. 1. - P. 107-115.
11. Тер-Мартиросян З.Г., Абдул Малек, Алла Саид Мухамед Напряженно-деформированное состояние преобразованного основания // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2007. - № 6. - С. 8-11.
References
1. Tetior A.N. Progressivnye konstruktsii fundamentov dlia uslovii Urala i Tiumenskoi oblasti [Progressive construction of foundations for the conditions of the Urals and Tyumen region]. Sverdlovsk: Sredne-Ural'skoe izdatel'stvo, 1971. 91 p.
2. Kim B.G., Pronozin Ia.A., Volosiuk D.V. Ustroistvo lentochnykh fundamentov melkogo zalozheniia, ob''edinennykh pologimi obolochkami [Construction of the strip foundations combined by shallow shell]. Mekhanizatsiia stroitel'stva, 2014, no. 9, pp. 9-14.
3. Ter-Martirosian Z.G., Pronozin Ia.A., Stepanov M.A. Obosnovanie ispol'zovaniia svaino-obolochechnykh fundamentov s predvaritel'no napriazhennym gruntovym osnovaniem [Rationale for the use of pile-shell
foundations with prestressed ground base]. Osnovaniia, fundamenty i mekhanika gruntov. Seriia "Mekhanika gruntov", 2012, no. 4, 2012, pp. 2-5.
4. Gotman N.Z. Raschet svaino-plitnykh fundamentov iz zabivnykh svai s uchetom obrazovaniia karstovogo provala [Calculation of pile-slab foundation of driven piles considering karst formation failure]. Thesis of Doctor's degree dissertation, Moscow, 2004. 348 p.
5. Shuliat'ev O.A. Fundamenty vysotnykh zdanii [Foundations of high-rise buildings]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura, 2014, no. 4, pp. 203-245. DOI: http://dx.doi.org/ 10.15593/2224-9826/2014.4.19
6. El'-Mossalami I. Ustroistvo fundamentov vysotnykh zdanii na szhimaemykh gruntovykh osnovaniiakh [The foundations of high-rise buildings on compressible ground soil]. Mezhdunarodnyi zhurnal "Geotekhnika", 2010, no. 4, pp. 21-41.
7. Hanisch J., Katzenbach R., Konig G. Kombinierte Pfahl-Plattengriindung. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis «Pfahle» der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik (DGGT). Ernst & Sohn, 2002.
8. Poulos H.G. Piled-raft foundations - design and applications. Geotechnique, 2001, vol. 50, no. 2, pp. 95-113.
9. El-Mossallamy Y. Economic Design of Piled Raft Foundations for high-rise buildings and bridge foundations. International Conference on GeotechnicalEngineering. Beirut, 2004.
10. Lutz B., Morauf D., Scheffler J. Kombinierte Pfahl-Plattengrundungen Modellversuche und Berechnungen. FGeoBAU. Berlin, 2010, bd. 1, pp. 107-115.
11. Ter-Martirosian Z.G., Abdul Malek, Alla Said Muhamed Napriazhenno-deformirovannoe sostoianie preobrazovannogo sostoianiia [The stress-strain state of the transformed base]. Osnovaniia, fundamenty i mekhanika gruntov, 2007, no. 6, pp. 8-11.
Получено 06.04.2015
Об авторах
Пронозин Яков Александрович (Тюмень, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Геотехника» Тюменского государственного архитектурно-строительного университета (625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2, e-mail: [email protected]).
Степанов Максим Андреевич (Тюмень, Россия) - ассистент кафедры «Геотехника» Тюменского государственного архитектурно-строительного университета (625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2, e-mail: [email protected]).
Волосюк Денис Викторович (Тюмень, Россия) - аспирант кафедры «Строительное производство» Владимирского государственного университета им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия (600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, e-mail: [email protected]).
About the authors
Iakov A. Pronozin (Tyumen, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Geotechnics, Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering (2, Lunacharsky st., Tyumen, Russian Federation, 625001, e-mail: [email protected]).
Maksim A. Stepanov (Tyumen, Russian Federation) - Assistant, Department of Geotechnics, Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering (2, Lunacharsky st., Tyumen, Russian Federation, 625001, e-mail: [email protected]).
Denis V. Volosiuk (Vladimir, Russian Federation) - Ph.D student, Department of Construction Technology, Vladimir State University named after Alexandr and Nikolay Stoletovs (87, Gorky st., Vladimir, Russian Federation, 600000, e-mail: [email protected]).
