Повышение качества проектирования усиления грунтового основания армированием набивными сваями в раскатанных скважинах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.138.26

Ломов Петр Олегович

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»

Россия, Новосибирск1 Аспирант E-Мail: lomovpo@mail.ru

Повышение качества проектирования усиления грунтового основания армированием набивными сваями

в раскатанных скважинах

Аннотация: Качество проектирования усиления грунтовых оснований зданий и сооружений зависит от правильности назначенных расчетных схем, применяемых методик расчетов. В последние годы широкое распространение получил метод предпостроечного усиления грунтов основания строящихся зданий и сооружений, заключающийся в армировании основания набивными сваями в раскатанных скважинах. Повышение прочностных и деформационных характеристик усиленного основания происходит за счет совместного глубинного уплотнения грунтов методом раскатки скважин и армирования набивными сваями. Данный метод предусматривает устройство в грунте более прочных элементов, совместно работающих с массивом и конструктивно не связанных с фундаментом строящихся сооружений. В настоящее время не существует единой утвержденной методики проектирования усиления, из-за чего возникает необходимость в проведении экспериментальных и теоретических исследований. Выполнен комплекс исследований при проектировании нескольких усиленных оснований на объектах города Новосибирска, была установлена зависимость между фактическим модулем деформации усиленного основания и плотностью сухого грунта, получена модель регрессии и проведена статистическая обработка результатов. Для определения фактического модуля деформации усиленного основания в определенных грунтовых условиях получена зависимость переходного коэффициента от начальной плотности сухого грунта.

Ключевые слова: Раскатка скважин; глубинное уплотнение; основание; набивная свая; армирование грунтов; усиленное основание; модуль деформации; плотность грунта; прочностные характеристики грунта; натурные эксперименты.

Идентификационный номер статьи в журнале 132ТУЫ214

1 630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук - 191

Распространенной тенденцией в строительстве зданий и сооружений в крупных городах в связи с дефицитом свободных земельных участков и плотной городской застройкой является применение предпостроечного усиления грунтов основания, которое позволяет значительно снизить стоимость строительно-монтажных работ на нулевом цикле [1].

Одним из методов предпостроечного усиления грунтов основания строящихся зданий и сооружений является армирование основания набивными сваями в раскатанных скважинах [2, 6]. Повышение прочностных и деформационных характеристик усиленного основания происходит за счет совместного глубинного уплотнения грунтов методом раскатки скважин и армирования набивными сваями, в результате чего повышается несущая способность основания и появляется возможность передачи на усиленное основание больших нагрузок [7]. Также при применении данного варианта усиления ликвидируются просадочные свойства грунтов основания, попавших в зону усиления, и ускоряется процесс консолидации водонасыщенных глинистых грунтов [3 ].

Способ армирования грунтов основания набивными сваями в раскатанных скважинах достаточно прост в применении, не требует высокотехнологичного оборудования. При этом отсутствуют жесткие требования к материалу заполнения раскатанных скважин. Данный вариант усиления предусматривает устройство в грунте более прочных элементов, совместно работающих с массивом и конструктивно не связанных с фундаментом строящихся сооружений.

В последние годы метод усиления грунтов основания армированием набивными сваями в раскатанных скважинах получил широкое распространение, в то же время следует отметить отсутствие единой утвержденной методики проектирования усиления, в связи с чем, возникает необходимость в проведении экспериментальных и теоретических исследований. Проектирование усиления выполняется по стандартному алгоритму (рисунок 1) и напрямую зависит от качества и объема исходных данных.

К исходным данным при проектировании усиления относятся:

• материалы по инженерно-геологическому, гидрогеологическому строению площадки;

• конструктивные особенности сооружения (назначение, нагрузки, конструктивная схема и т.п.);

При проектировании усиления по представленному выше алгоритму необходимо определять прочностные и деформационные характеристики усиленного основания. При этом существующие расчетные способы определения этих характеристик обладают большим количеством допущений и имеют значительные погрешности, что подтверждается проведенными полевыми испытаниями. Решение задачи по выявлению погрешности в определении расчетных характеристик основания, посредством статистической обработки материалов полевых испытаний, позволит более качественно выполнять проектирование усиления.

Существующие нормы регламентируют определение осадки основания фундаментов с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства методом послойного суммирования. Таким образом, одним из ключевых расчетов, для прогнозирования осадки сооружения на усиленном основании, является определение модуля деформации данного основания.

Рис. 1. Алгоритм проектирования усиления

Усиление основания происходит за счет совместной работы армоэлементов и уплотненного в межсвайном пространстве грунта [5]. По существующим зависимостям между плотностью и модулем деформации грунта, а также влиянию менее деформируемого (в сравнении с грунтом) материала набивных свай можно прогнозировать уменьшение деформируемости усиленного основания [9].

В зависимости от шага раскатанных скважин и диаметра набивных свай определяется плотность сухого уплотненного грунта в межскважинном пространстве. Далее по таблицам в нормативных документах определяется нормативное значение модуля деформации уплотненного грунта (Ен). Набивные сваи в раскатанных скважинах значительно увеличивают прочностные и деформационные характеристики грунтового массива как армирующие элементы. Проектное (расчетное) значение модуля деформации усиленного грунтового основания можно определить как средневзвешенное по формуле

Е„

Е ■ А + Е • А

св св н.гр Тч

пр

(1)

Асв + Ар

где Асв - площадь поперечного сечения набивной сваи;

Асв+Агр - площадь поверхности грунтового массива, приходящаяся на одну набивную

сваю;

Есв - модуль деформации набивной сваи (с учетом запаса принимаемый равными 400

МПа);

Ен.гр - модуль деформации уплотненного грунта методом раскатки скважин в межскважинном пространстве (нормативное значение).

Безусловно, значение модуля деформации определенное по формуле (1) несет в себе некоторые погрешности, в первую очередь из-за того, что при данном расчете для различных инженерно-геологических условий используется нормативное значение модуля деформации грунта, не учитывается боковое давление на контакте сваи с уплотненным грунтом, работа грунта под нижним концом набивной сваи, возможное проскальзывание набивной сваи, коэффициенты армирования и т.п. [4, 10]. Таким образом, для более качественного проектирования усиления необходимо проведение натурных испытаний. Только на основании совместного анализа расчетных (проектных) и фактических характеристик усиленного основания можно прогнозировать деформации усиленного основания на момент эксплуатации сооружения.

Для решения задачи по определению погрешности между фактическим и расчетным модулем деформации усиленного основания ниже рассмотрено 8 примеров реализованного усиления в городе Новосибирск. Необходимость усиления основания фундаментов на нижеперечисленных объектах была вызвана недостаточными значениями прочностных и деформационных характеристик грунтов основания для восприятия нагрузок от конструкций зданий при плитном варианте фундамента. Инженерно-геологические условия площадок относительно идентичны. Литологические разрезы площадок представлены глинистыми грунтами от полутвердой до тугопластичной консистенции с числом пластичности от 4 до 8. Перечень объектов представлен в таблице 1.

Таблица 1

Перечень объектов

№ п/п Адрес Глубина усиления, м Плотность сухого неуплотненного грунта, г/см3 Плотность сухого уплотненного грунта, г/см3 Нормативное значение модуля деформации уплотненного грунта, МПа Проектное значение модуля деформации усиленного основания, определенное по формуле (1), МПа

Рёв РГ Ен Епр

1 Жилой дом по ул. Державина 11,6 1,58 1,67 19,0 40,5

2 Жилой дом по ул. Кирова 6,7 1,55 1,66 16,6 38,3

3 Жилой дом по ул. Романова (1) 11,5 1,59 1,69 19,8 41,3

4 Жилой дом по ул. Романова (2) 7,0 1,56 1,65 17,4 39,1

5 Жилой дом по ул. 9 Ноября 8,5 1,60 1,69 20,6 42,1

6 Жилой дом по ул. Крылова 12,2 1,61 1,72 21,4 42,8

7 Жилой дом по ул. Фрунзе (1) 13,0 1,57 1,66 18,2 39,8

8 Жилой дом по ул. Фрунзе (2) 11,2 1,58 1,66 18,8 40,4

При проектировании усиления по вышеизложенному алгоритму были определены шаг и глубина раскатки (шаг раскатанных скважин - одинаковый для всех вышеперечисленных объектов). В качестве материала набивных свай был принят тощий бетон класса В7,5. По формуле (1) и существующим зависимостям между шагом, диаметром набивных свай и плотностью грунта были определены физико-механические параметры усиленного основания. На всех вышеперечисленных объектах при усилении были соблюдены идентичные технологические параметры (применяемые машины и механизмы, материал набивных свай, навесное оборудование и т.п.) что позволило произвести статистическую обработку результатов усиления.

Ниже представлен график зависимости проектного значения модуля деформации после усиления (Епр) от плотности сухого грунта (рао).

Рис. 2. График зависимости проектного значения модуля деформации после усиления (Епр)

от плотности сухого грунта (рм)

Для проверки правильности заложенных параметров на каждом объекте было произведено опытно-производственное усиление и контроль качества в виде штамповых испытаний усиленного основания [8].

Методика проведения каждого испытания была следующей: плоский жесткий штамп (площадью А=5000 см2) устанавливался на усиленное основание через выравнивающую песчаную подушку, затем с малым количеством песка притирался для плотного прилегания штампа к поверхности подушки. Для восприятия реактивного усилия по обе стороны от штампа завинчивались четыре анкера (шнеки диаметром 180 мм) конвертом 1,2х2,2 м, которые соединялись при помощи двух поперечных и одной упорной (продольной) балки. Между упорной балкой и штампом на конце патрубка штампа устанавливался гидравлический домкрат типа ДГ-200, усилия от которого фиксировалось манометром насосной станции. Перемещение штампа измерялось двумя прогибомерами «Аистова», зафиксированными на неподвижных диаметрально расположенных реперах.

Нагрузка на штамп передавалась ступенями Лр=0,1 МПа до Р=0,5 МПа. Нагрузка ступени выдерживалась до условной стабилизации, равной не более 0,1 мм за последний час

наблюдения, затем передавалась последующая ступень нагрузки. На рисунке 3 представлена схема установки. На рисунке 4 приведено фото установки.

Рис. 3. Схема установки

Рис. 4. Фото установки для проведения штампового испытания

Проведенные натурные испытания подтвердили расчетный модуль деформации усиленного основания, после чего проводились работы по усилению грунтов основания под всем зданием.

Результаты проведенных штамповых испытаний после полного завершения работ по каждому объекту по усилению представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты штамповых испытаний после полного завершения работ по усилению

№ п/п Адрес Фактическое значение модуля деформации (по штамповым испытаниям), МПа Проектное значение модуля деформации усиленного основания, определенное по формуле (1), МПа

Еф Ефср Епр

1 2 3 4 5 6

1 Жилой дом по ул. Державина 61,1 60,3 58,7 61 59,7 58,5 59,9 40,5

2 Жилой дом по ул. Кирова 58,1 56,3 59,7 56,9 56,5 59,2 57,8 38,3

3 Жилой дом по ул. Романова (1) 63,3 61,9 63,4 59,9 61,9 61,4 62,0 41,3

4 Жилой дом по ул. Романова (2) 58,4 58,3 59,1 57,6 58,2 58,4 58,3 39,1

5 Жилой дом по ул. 9 Ноября 66,8 66,9 70,1 68,1 67,5 68,7 68,0 42,1

6 Жилой дом по ул. Крылова 68 67,8 67,4 67,6 68,7 69,5 68,2 42,8

7 Жилой дом по ул. Фрунзе (1) 58,1 58,0 58,7 59,0 58,9 58,5 58,5 39,8

8 Жилой дом по ул. Фрунзе (2) 59,9 61 59,2 59 59,2 60 59,7 40,4

Ниже представлен график зависимости фактического значения модуля деформации основания после усиления (Еф, по результатам штамповых испытаний) от плотности сухого грунта (рао).

72,5

с с

га

70

К 2

а §

га г^:

Н .

Си зК ____ _

й к 67,5

о са

Ч н

к -а

Й С

>. о

ч я

О VI

0 Й

к о

1

0

га

1

го

65

с 62,5

га н

а

О м

С Й

ё I

-1 -Э

Я к

60

га <о

е а

55

о

о О /о . 1

Еф = З679р(30 2 - 11432р(30 г = 0,941 + 8939 0 / о

Ь= 1,119 Би= 1,624 е

о о о

о о о Л о

о 8 1111111

1,54

1,55

1,56

1,57

1,58

1,59

1,6

1,61

1,62

Плотность сухого грунта до усиления (неуплотненного) рй0, кг/см3

Рис. 5. График зависимости фактического значения модуля деформации основания после усиления (Еф,) от плотности сухого грунта (рм)

Статистический анализ экспериментальных данных по критерию Фишера позволяет сделать вывод об адекватности полученной модели регрессии, что свидетельствует о принципиальной возможности ее применения при расчете усиления оснований с учетом эмпирических зависимостей.

При сравнении расчетных и фактических значений модулей деформации усиленных оснований на каждом из перечисленных выше объектах были выведены переходные коэффициенты. Ниже представлен график зависимости переходного коэффициента от плотности сухого грунта (рао).

Рис. 6. График зависимости переходного коэффициента от плотности сухого грунта (pdo)

В результате выполненных исследований получена зависимость переходного коэффициента (от расчетного значения модуля деформации к фактическому) от плотности сухого грунта до усиления в интервале от 1,55 до 1,61 кг/см3, которая записывается как k = 1,687pdo - 1,136. Эта зависимость позволяет более точно выполнять проектирование усиление грунтов основания армированием набивными сваями в раскатанных скважинах.

Выводы:

1) Существующие методики расчета армированных и уплотненных грунтовых массивов, связаны с целым рядом допущений, которые оказывают существенное влияние на качество проектирования усиления.

2) По результатам проведенных исследований была установлена зависимость между фактическим модулем деформации усиленного основания и начальной плотностью сухого грунта (pdo) и получена модель регрессии Еф = 3679pdo2 - 11432pdo + 8939.

3) Статистический анализ экспериментальных данных по критерию Фишера позволил сделать вывод об адекватности полученной модели регрессии, что свидетельствует о принципиальной возможности ее применения при расчете усиления оснований армированием набивными сваями в раскатанных скважинах с учетом выявленных эмпирических зависимостей.

4) Для определения фактического модуля деформации усиленного основания в определенных грунтовых условий получена зависимость переходного коэффициента от начальной плотности сухого грунта (pdo). Для получения унифицированной зависимости в различных инженерно-геологических условиях необходимо выполнять дополнительные исследования в различных грунтовых условиях и с различными технологическими параметрами.

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,

Выпуск 2, март - апрель 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)

Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

ЛИТЕРАТУРА

1. Богов, С.Г. Проблемы устройства свайных оснований в городской застройке в условиях слабых грунтов // Реконструкция городов и геотехническое строительство, №8, 2004. - С. 119-128.

2. Вайгондт, А. Применение набивных свай в раскатанных скважинах / А. Вайгондт, Е. Торонцова // Экспресс-информ. / Минпромстрой СССР. ЦБНТИ, Организация и технология строительного производства - 1988. - Вып.3 - С. 1417.

3. Мирсаяпов, И.Т. Исследование прочности и деформируемости просадочных грунтовых оснований, армированных вертикальными элементами/И.Т. Мирсаяпов, В.Р. Мустакимов // Труды международной конференции по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика». Том 2. - СПб. ПГУПС, 2005. -С 40-45.

4. Мирсаяпов, И.Т. Расчет просадочных фунтовых массивов, армированных вертикальными элементами/ И.Т. Мирсаяпов, В.Р. Мустакимов // Известия КГАСУ, 2006. С. 79-81.

5. Пономоренко, Ю.Е. Классификация и сравнительный анализ оборудования для проходки скважин уплотнением / Ю.Е. Пономаренко, В.Д. Лис // Известия высших учебных заведений. Строительство и рахитектура - 1989. - Вып. 1 - С. 106-109- Библиогр.: 6 назв., ил.

6. Саурин, А.Н. Набивные сваи в раскатанных скважинах - перспективное основание для устройства фундаментов в сложных грунтовых и построечных условиях / А.Н. Саурин // Труды международного семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям - М. - Б.и. - 2000

- С.236-239: ил., - русск. яз.

7. Саурин, А.Н. Сваи в раскатанных скважинах / А.Н. Саурин // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2005. - №12. - С. 42-43.

8. Саурин, А.Н. Результаты штамповых испытаний оснований, преобразованных шлаковыми набивными сваями в раскатанных скважинах (НРС) / А.Н. Саурин., Ю.В. Редькина, Е.А. Кузнецова // Межвузовский тематический сборник трудов. С-Петербург, 2008, с. 71-75.

9. Фадеев, А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев // Изд-во.

- М. - Л., 1932. - 494, с ил.

10. Федоров, В.И. Моделирование несущей способности свай в глинистых грунтах /

B.И. Федоров // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1987. - Вып.3. -

C. 14-15.

Рецензент: Черноусов Сидор Иванович, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры «Геология, основания и фундаменты», ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».

Petr Lomov

Siberian State University of Transport Engineering

Russia, Novosibirsk E-Mail: Lomovpo@mail.ru

Improving the quality engineering by strengthening the subgrade reinforcement filling piles into flaring apertures

Abstract: Engineering quality depends on the correctness of appointed settlement schemes applied calculation methods strengthening subgrade of buildings and structures. In recent years, preconstruction method of strengthened subgrade is widely used in construction of buildings and structures by reinforcing of soils by filling piles. Method of the flaring apertures and reinforcement soil by filling piles improves strength and deformation characteristics of soils by joint soils deep compaction. This method creates in the soil stronger elements working together constructively and not associated with the foundation built structures. At the present time, There is not an approved uniform methodology engineering of strengthening, this requires experimental and theoretical research. Complex research has been executed by engineering on several strengthened base on building sites of the city of Novosibirsk. Dependence between the actual deformation modulus reinforced base and density of dry soil has been installed. Regression model and statistical analysis of the results had been made. To determine the actual deformation modulus reinforced base in certain soil conditions, the dependence of the transition coefficient of the soil density.

Keywords: Flaring apertures; deep compaction; subgrade; filling pile; reinforcement of soils; strengthened base; deformation modulus; soil density; strength characteristics of soils; natural

experiments.

Identification number of article 132TVN214

REFERENCES

1. Bogov, S.G. Problemy ustrojstva svajnyh osnovanij v gorodskoj zastrojke v uslovijah slabyh gruntov // Rekonstrukcija gorodov i geotehnicheskoe stroitel'stvo, №8, 2004. -S. 119-128.

2. Vajgondt, A. Primenenie nabivnyh svaj v raskatannyh skvazhinah / A. Vajgondt, E. Toroncova // Jekspress-inform. / Minpromstroj SSSR. CBNTI, Organizacija i tehnolo-gija stroitel'nogo proizvodstva - 1988. - Vyp.3 - S. 14-17.

3. Mirsajapov, I.T. Issledovanie prochnosti i deformiruemosti prosadochnyh grun-tovyh osnovanij, armirovannyh vertikal'nymi jelementami/I.T. Mirsajapov, V.R. Musta-kimov // Trudy mezhdunarodnoj konferencii po geotehnike «Vzaimodejstvie sooruzhenij i osnovanij: metody rascheta i inzhenernaja praktika». Tom 2. - SPb. PGUPS, 2005. -S 40-45.

4. Mirsajapov, I.T. Raschet prosadochnyh funtovyh massivov, armirovannyh vertikal'nymi jelementami/ I.T. Mirsajapov, V.R. Mustakimov // Izvestija KGASU, 2006. S. 79-81.

5. Ponomorenko, Ju.E. Klassifikacija i sravnitel'nyj analiz oborudovanija dlja prohodki skvazhin uplotneniem / Ju.E. Ponomarenko, V.D. Lis // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo i rahitektura - 1989. - Vyp. 1 - S. 106-109- Bibliogr.: 6 nazv., il.

6. Saurin, A.N. Nabivnye svai v raskatannyh skvazhinah - perspektivnoe osnovanie dlja ustrojstva fundamentov v slozhnyh gruntovyh i postroechnyh uslovijah / A.N. Saurin // Trudy mezhdunarodnogo seminara po mehanike gruntov, fundamentostroeniju i transport-nym sooruzhenijam - M. - B.i. - 2000 - S.236-239: il., - russk. jaz.

7. Saurin, A.N. Svai v raskatannyh skvazhinah / A.N. Saurin // Stroitel'nye mate-rialy, oborudovanie, tehnologii XXI veka. - 2005. - №12. - S. 42-43.

8. Saurin, A.N. Rezul'taty shtampovyh ispytanij osnovanij, preobrazovannyh shlakovymi nabivnymi svajami v raskatannyh skvazhinah (NRS) / A.N. Saurin., Ju.V. Red'-kina, E.A. Kuznecova // Mezhvuzovskij tematicheskij sbornik trudov. S-Peterburg, 2008, s. 71-75.

9. Fadeev, A.B. Metod konechnyh jelementov v geomehanike / A.B. Fadeev // Izd-vo. -M. - L., 1932. - 494, s il.

10. Fedorov, V.I. Modelirovanie nesushhej sposobnosti svaj v glinistyh gruntah / V.I. Fedorov // Osnovanija, fundamenty i mehanika gruntov. - 1987. - Vyp.3. - S. 14-15.