CC BY
573
Оржеховский Юрий Рувимович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудн ик и нститута «УралНИИпроект РААСН» e-mail: [email protected]
Лушников
Владимир Вениаминович
Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник института «УралНИИпроект РААСН»
e-mail: [email protected]
Оржеховская Регина Яковлевна
кандидат технических наук, профессор УралГАХА e-mail: [email protected]
Ярдяков
Артем Сергеевич
аспирант, инженер
«УралНИАС»
УДК 660.97
ОРЖЕХОВСКИЙ Ю. Р ЛУШНИКОВ В. В. ОРЖЕХОВСКАЯ Р. Я. ЯРДЯКОВ А. С.
Плитно-свайные фундаменты как спотоб решения сложных геотехнических проблем
Статья посвящена возможностям применения нового типа фундаментов — плитно-свайных — в сложных геотехнических ситуациях. Рассматриваются различные концепции плитно-свайного фундамента (ПСФ). Показана эффективность применения таких фундаментов при строительстве на слабых, насыпных, неоднородных по сжимаемости грунтах, а также в условиях близкого примыкания к существующим зданиям. Описан способ управления параметрами фундамента в процессе строительства по результатам мониторинга.
Ключевые слова: фундамент, плита, свая, осадка, неравномерность сжимаемости, слабые и насыпные грунты, примыкание к существующим строениям, мониторинг.
ORZHEKHOVSKIY Y. R.
LUSHNIKOV V. V.
ORZHEKHOVSKAYA R. Y.
YARDYAKOVA. S.
PLATE-PILE FOUNDATION AS THE INSTRUMENT FOR THE SOLVING OF COMPLEX GEOTECHNICAL PROBLEMS
The article is devoted to the possibilities of the applying a new type of foundation — plate-pile — in a complex geotechnical situations. The different concepts of plate-pile foundation (PPF) are considered. The effectiveness of its usage is shown for the case of building structures on weak, bulk and inhomogeneous in compressibility soils, as well as in close contiguity to the existing buildings. The method of controlling parameters of PPF in the course of building, based on the results of monitoring is described.
Keywords: foundation, plate, pile, settlement, weak soils, bulk soils, inhomogeneous in compressibility soils, contiguity to the existing buildings, monitoring.
К числу основных тенденций современного фундаментостроения относятся: значительный рост нагрузок на фундаменты в связи с массовым увеличением этажности зданий; увеличивающийся объем использования оснований, сложенных слабыми или насыпными грунтами — в связи с постепенно возникающим дефицитом «хороших» грунтов; строительство в стесненных условиях, в том числе в плотном примыкании к существующим строениям — в связи с увеличением плотности городской застройки. Все это заставляет искать ресурсы повышения несущей способности традиционных типов фундаментов и разрабатывать новые конструктивные решения.
Одной из таких эффективных разработок в области фундаментостроения последнего десятилетия являются плитно-свайные фундаменты (ПСФ). В данной статье будут показаны возможности ПСФ в решении перечисленных выше проблем.
ПСФ представляет собой монолитную плиту, подкрепленную сваями того или иного типа и расположенными в виде свайного поля, лент, кустов или одиночных свай. Определяющим признаком ПСФ, однако, является не сам факт наличия двух компонент — плитной и свайной, а то, что обе эти компоненты фундамента являются несущими, обеспечивая непосредственную передачу нагрузки от надфундаментной
© Оржеховский Ю. Р., Лушников В. В., Оржеховская Р. Я., Ярдяков А. С., 2013
83
Иллюстрация 1. Концепции ПСФ: а — на свайном поле (СП 50-102-2003); б —
на кустах свай
конструкции на грунт основания: сваи — нижним концом и боковой поверхностью, плита — подошвой.
Стремление повысить несущую способность свайного фундамента за счет включения в работу ростверка присутствовало всегда, однако до последнего времени нормы, ориентированные на традиционные конструкции фундаментов, такой возможности не давали. Это обусловлено тем, что для возможности включения в работу на отпор грунта плиты ростверка необходимо наличие, как минимум, двух условий (помимо очевидного требования непосредственного опирания ростверка на грунт):
1 Сваи должны обладать определенной податливостью, т. е. давать осадку под нагрузкой.
2 В плите ростверка должны быть участки, достаточно удаленные в плане от свай.
Первое требование означает, в частности, что к ПСФ не могут быть отнесены свайные фундаменты со сваями, опирающимися на прочные несжимаемые скальные грун-
ты, исключающими возможность развития осадок. Тем не менее, это не исключает применения в составе ПСФ свай, формально отнесенных к стойкам.
По поводу этого тезиса следует сделать следующее уточнение.
Для многих элювиальных грунтов (в частности, Урала) характерно наличие в инженерно-геологическом разрезе достаточно мощных промежуточных слоев грунта, которые по своим формальным характеристикам должны быть отнесены к скальным (сильновыветрелым, трещиноватым), но обладающих заметной сжимаемостью. Соответственно, опирающиеся на них сваи по нормативной классификации считаются стойками, но дают вполне значимые осадки. Так, по результатам наших наблюдений, осадки забивных и буронабивных свай на подобных грунтах иногда достигают 2.5-3.0 см при нагрузках, меньших расчетной несущей способности этих свай. Уже при средней сжимаемости грунтов верхних слоев, служащих опорными для плиты-ростверка, такая осадоч-ность свай может оказаться вполне достаточной для полноценного включения в работу плитной компоненты.
Второе требование отражает тот факт, что полноценный отпор по подошве ростверка может реализоваться лишь на участках, достаточно удаленных от свай, вне зоны их влияния. Такое влияние проявляется в вовлечении околосвайно-го грунта в общую осадку со сваей, формировании «осадочной воронки». Размеры в лане такой воронки очень ориентировочно могут быть оценены в 1.0-1.5, отсчитывая от грани сваи (здесь d — диаметр круглого или сторона квадратного сечения сваи). Возможность включения в работу плиты присутствует лишь в зоне за пределами этих воронок.
Традиционные варианты кустовых или ленточных ростверков, практически повторяющих в плане конфигурацию соответствующих групп свай при нормативном шаге последних, обычно такой возможности не предоставляют, как и большеразмерные в плане плиты, устраиваемые по «густой» сетке свай (свайному полю) с шагом свай 3-4 d.
Первая регламентация плитно-свайных (или — в нормативной терминологии — свайно-плитных) фундаментов имела место в СП 52102-2003 [1]. На наш взгляд, подход, реализованный в указанных нормах, не может расцениваться как удачный. Фактически была принята концепция ПСФ со свайной компонентой в виде
регулярного свайного поля, с шагом свай 5-8 d (Иллюстрация 1, а). Такой шаг несколько превышает традиционный для висячих свай шаг 3d и позволяет подключать к работе центральные участки межсвайных промежутков плиты. Однако весьма незначительная суммарная площадь подобных участков, учитывая сравнительную деформативность свай и естественного основания, предопределяет и довольно низкую долю общей нагрузки, которую возможно передать на плитную компоненту ПСФ — не более 15 %, согласно указанным Нормам.
В целом в данном СП плитносвайный фундамент трактуется как некоторое развитие и расширение возможностей традиционного свайного фундамента, остающегося в данной концепции базовым и основным.
Более поздняя редакция Норм — СП 24.13330.2011 ([2]) — сняла отмеченные выше ограничения, допуская устройство свай в составе ПСФ в виде любых конфигураций (кусты, ряды и т. д.).
Это уравнивает в правах как подход, реализованный в предыдущих нормах, так и другой (во многом — альтернативный) подход, параллельно развиваемый последнее десятилетие в работах уральской школы фундаментостроения [3, 4].
В рамках этого подхода базовым, исходным типом фундамента является плитный фундамент на естественном основании.
Плитный фундамент вполне эффективен на грунтах средней сжимаемости с местными (локализованными в плане) неоднородностями. Он способен передать на основание значительные вертикальные нагрузки, способствуя — собственной жесткостью — их благоприятному перераспределению при наличии локальных участков основания повышенной или пониженной — в сравнении со средним уровнем — жесткости. Однако такие характеристики деформирования, как общая (средняя) осадка и общий же крен практически полностью обусловлены свойствами и строением основания и не зависят от жесткости фундамента.
При невозможности удовлетворения соответствующих требований расчета по деформациям осуществляется переход к плитно-свайному варианту с постановкой определенного количества подкрепляющих свай.
Сваи, таким образом, рассматриваются как элементы жесткости основания, свайная компонента ПСФ — как участок существенно
Иллюстрация 2. «Свайные» участки ПСФ: а — забивные сваи; б — буронабивные сваи
Иллюстрация 3. Плитный фундамент на неравномерно сжимаемых грунтах: а — на естественном основании; б — с подкрепляющими сваями
а
б
а
повышенной жесткости (Иллюстрация 2), а плитно-свайный фундамент — с точки зрения расчета — как плита, лежащая на неоднородном по сжимаемости основании с искусственно создаваемой (полезной) неоднородностью.
Наиболее рациональным при этом является размещение свай в виде кустов или рядом в опорных зонах несущих колонн и стен с минимальным шагом, как схематично показано на Иллюстрации 1б. Работа плитной компоненты, таким образом, приурочивается к пролетным — межкусто-вым и межрядовым — а не к меж-свайным участкам. При этом никаких ограничений в доле нагрузки, воспринимаемой плитной компонентой ПСФ, не возникает.
Деформационной характеристикой основания служит распределенный (переменный в плане) коэффициент постели.
Данный подход реализован, например, в СТП [5].
Рассмотрим возможности применения ПСФ в описанных в начале данной статьи проблемных ситуациях.
Слабые и насыпные грунты
Как отмечалось выше, постепенно возникающий дефицит «хороших» грунтов нередко заставляет использовать в качестве оснований слабые и насыпные грунты. Основные расчетные требования к фундаментам здесь — это ограничение величины общей (средней) осадки:
а) ^ ^ ,
для насыпных грунтов — ограничение давления по подошве:
б) Р' < R,
где 5' — средняя расчетная осадка; SuU — предельно допускаемая нормами средняя осадка (приложение «В» СП 22.13330.2011 [2]);
Р' - среднее давление на основание; Я — расчетное сопротивление насыпного грунта, устанавливаемое приложением «Д» СП 22.13330.2011 [6].
Задача решается постановкой подкрепляющих свай в опорных зонах колонн и стен по всему плану плиты. Количество свай и их параметры определяются условием восприятия ими соответствующей доли нагрузки, которую необходимо снять с подошвы плиты.
Для выполнения условия «а» на каждом расчетном участке (соответствует понятию «грузовой площади» колонны или стены) устраивается свайный куст с общей несущей способностью:
Ф, = N1 .(1 - К^•),
где — полная нагрузка на рассматриваемом расчетном участке.
Здесь коэффициент Ка и 0,8 усредненно отражает уменьшение опорной площади плиты при возникновении свайного участка (зоны действия свай), см. Иллюстрацию 2.
Для выполнения условия «б» на каждом расчетном участке устраивается свайный куст с расчетной несущей способностью:
Ф,- = N - КаА,Я,
где Д — площадь участка.
(Детальная методика расчета этого и следующих примеров содержится в СТП [5].)
Неравномерная сжимаемость основания
Наиболее характерной ситуацией здесь является резкое падение кровли скального грунта в пределах строительной площадки. Нередко при этом на части плана скальный грунт вообще не был обнаружен при изысканиях в пределах разведанных глубин, что исключает применение свай-стоек. Подкрепляющие сваи здесь являются инструментом выравнивания неравномерных осадок плиты (Иллюстрация 3).
В этом случае для каждого расчетного участка, расположенного на сжимаемом грунте, должна быть определена допускаемая («жела-
емая») осадка S¡ а , совокупность значений которой по всем участкам обеспечивает удовлетворение требований Норм по неравномерности деформаций.
Для реализации такой осадки суммарный отпор грунта кй , кН, под подошвой плиты на участке должен быть снижен до величины:
^ » к АС,,,
где С21 — коэффициент постели естественного основания участка (методика определения приведена в [5]).
Разница AN¡ = N - Ш,, геё, где N¡ — полная нагрузка на участок, должна быть воспринята подкрепляющими сваями, т. е. расчетная несущая способность куста свай Ф, должна удовлетворять условию:
Ф, = АИ,.
Примыкание к существующим фундаментам
При устройстве плитного фундамента вплотную к существующему одним из вариантов снижения негативного влияния нового фундамента является его опирание в зоне примыкания на буронабивные сваи (Иллюстрация 4). Если возможно устройство свай-стоек, то это полностью снимает проблему негативного воздействия, более того, сами буронабивные сваи служат в определенной степени защитой существующих фундаментов при откопке котлована.
Иллюстрация 4. Примыкание плитного фундамента к существующему фундаменту: а — применение свай-стоек; б — консольный вариант примыкания
Иллюстрация 5. Примыкание плитного фундамента к существующему фундаменту, применение антифрикционных свай
В этом случае необходимо устройство дополнительных подкрепляющих свай с целью выравнивания осадок плиты (Иллюстрация 4, а); расчет выполняется в целом аналогично описанному в предыдущем разделе.
Если устройство свай-стоек невозможно (глубокое расположение кровли скального грунта), то эффективным способом снижения негативного воздействия является консольный вариант примыкания (Иллюстрация 4, б). Ряд висячих буронабивных свай устраивается со смещением во внутренний пролет относительно краевой стены или ряда колонн. При этом снимается отпор грунта по подошве на краевой полосе между рядом свай и краем плиты — например, за счет устройства под подошвой деформативной подкладки. Такое удаление зоны передачи нагрузки на основание от при-
мыкающего фундамента значительно снижает уровень воздействия на него. Устройство же ряда висячих свай является способом повышения несущей способности и снижения деформативности соответствующего участка основания, где происходит значительная концентрация усилий (включая момент от консольного опирания краевой стены или колонн). Расчет подкрепляющих свай при этом ведется по условию выравнивания осадок плиты, включая зону концентрации — в целом, аналогично приведенному выше.
Примыкание с опорой на висячие буронабивные сваи возможно и без консольного опирания краевых стен/ колонн, т. е. в близком расположении висячей сваи к существующему фундаменту. В этом варианте целесообразно применение т. н. «антифрикционных» свай, в верхней части которых — за счет искусственно созданного зазора со стенкой скважины, заполняемого легко деформируемым материалом — снимается сопротивление (трение) грунта по боковой поверхности (Иллюстрация 5), что позволяет минимизировать воздействие на близкорасположенное сооружение.
Еще одна область эффективного применения плитно-свайных фундаментов связана с концепцией адаптивного управления параметрами фундамента в процессе строительства (метод «отложенного» решения) — направлением, активно развиваемым в последнее десятилетие [4].
Метод «отложенного решения»
Суть метода заключается в том, что решение об устройстве подкрепляющих свай принимается не на стадии проектирования, в условиях дефицита достоверной информации
о строении и свойствах грунтового основания, а в процессе строительства здания, в ходе и по результатам мониторинга, когда такие свойства уже проявились фактически.
В рамках этого метода фундамент изначально выполняется как плитный, причем в теле плиты устанавливаются специальные гильзы. При проявлении опасных тенденций в развитии осадок по мере роста нагрузок под плитой методом инъецирования через указанные гильзы устраиваются буроинъекционные сваи специального вида, превращающие фундамент в плитно-свайный (Иллюстрация 5).
Метод «отложенного решения» представляет собой отдельное направление исследований в области фундаментостроения, его детальное
описание выходит за рамки данной статьи и приведено, например, в СТП
[5].
Заключение
Рассмотренные примеры показывают, что плитно-свайный фундамент является эффективным инструментом решения таких сложных проблем, как ограничение общей величины и степени неравномерности осадок, снижение негативного воздействия на существующие фундаменты при строительстве в примыкание к имеющейся застройке.
ПСФ на сваях специального вида (сваях ВНИ) является также основным конструктивным элементом в системе адаптивного управления параметрами фундамента в процессе строительства — развиваемом методе, обещающем значительный экономический эффект.
Список использованной литературы
1 СП 52-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов / Госстрой России. М., 2004.
2 СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03.85. М., 2011.
3 Оржеховский Ю. Р., Лушни-ков В. В., Оржеховская Р. Я. Оптимизация решений плитных фундаментов на неоднородном основании. Геотехнические проблемы строительства архитектуры и геоэкологии на рубеже XXI века : в 2 т. Темиртау.
4 Лушников В. В., Оржеховский Ю. Р. Актуальные проблемы фундаментостроения в Уральском федеральном округе // Восьмые Уральские академические чтения. Екатеринбург, 2003.
5 СТП 02494791-001-2012. Плитно-свайные фундаменты (расчет и конструирование) / УралНИИ-проект РААСН РФ. Екатеринбург, 2012.
6 СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.0183. М., 2011.
