CC BY
25ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ
Сванов Тимур Сванович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург
Хисамов Ремир Рауфович
Инженер, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
г. Санкт-Петербург
IMPROVING BEARING CAPACITY OF FOUNDATION
Svanov Timur, Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University, Saint-Petersburg Khisamov Remir, engineer, Petersburg State Transport University, Saint-Petersburg АННОТАЦИЯ
Статья посвящена существующим методам усиления основания в условиях плотной городской застройки. Приводится оценка влияния конструктивной обоймы на работу основания. В статье приведено моделирование работы основания в обойме на песчаных грунтах. Выполнено сравнение аналитических и численных методов определения несущей способности основания, взятого в обойму. Приводятся результаты вибродинамических испытаний при устройстве шпунтовой обоймы. ABSTRACT
The article is dedicated to existing methods to strengthen foundation in conditions of dense urban development. Assessment of the constructive clip's impact on the foundation work is given. The modeling of foundation work on sandy soil is presented in the article. The comparison of analytical and numerical methods to determine load bearing capacity of foundation taken into a clip is made. The results of vibrodynamical tests while installing the piling clip are presented.
Ключевые слова: основание; фундамент; усиление основания; несущая способность; обойма. Keywords: base; foundation; strengthening of foundation; bearing capacity; cage.
Введение
В последние годы в Санкт-Петербурге активно ведется работа по формированию нового облика исторического центра. Многие здания в Санкт-Петербурге многократно реконструировались с надстройкой одного или нескольких этажей без усиления фундаментов. При этом давление по подошве фундаментов иногда в несколько раз превышает расчетное сопротивление грунта, в то время как возникает необходимость увеличить нагрузку на фундаменты за счет надстройки дополнительных этажей [1]. Возникающие при увеличении нагрузки на основание неравномерные деформации, негативно влияют на техническое состояние всего здания и могут привести к аварийным ситуациям.
Таким образом, для обеспечения безопасной эксплуатации здания при реконструкции зданий в условиях плотной городской застройки необходимо решать целый ряд геотехнических вопросов. Геотехнические особенности Санкт-Петербурга требуют особо тщательного подхода к решению задач реконструкции. Это связано с тем обстоятельством, что исторический центр Санкт-Петербурга находится в сложных геологических условиях. Согласно европейской классификации (Eurocode 7 Geotechnics) любое строительство (реконструкция) в таких грунтах относится к III (наиболее сложной) геотехнической категории. Данное положение подтверждается и новыми региональными нормами (ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург), изданными Правительством Санкт-Петербурга [7].
Фундаменты большинства старых зданий бутовые или кирпичные, иногда в нижней части из валунов и редко бутобетонные или бетонные на естественном основании. Под подошву фундаментов старых зданий иногда укладывались лежни из бревен или забивались короткие деревянные сваи длиной 2-6 м. Глубина заложения фундаментов в зависимости от конструктивных либо инженерно-геологических особенностей площадки строительства ва-
рьирует от 1,0 до 4,5 м при давлении по подошве фундамента 150-450 кПа [5]. Во многих случаях давление по подошве фундаментов старых зданий, особенно надстроенных, превышает значение расчетного сопротивления грунта основания.
Наиболее сложная геотехническая категория требует привлечения квалифицированных геотехников для решения задач связанных с реконструкцией зданий и сооружений. Поскольку проблемы сохранения архитектурного наследия очень актуальны, в Санкт-Петербурге создана специальная экспертно-консультативная комиссия по основаниям, фундаментам и подземным сооружениям при Правительстве города, при участии данной комиссии решаются наиболее сложные задачи геотехники.
В условиях Санкт-Петербурга практически ни одна реконструкция не проходит без усиления фундаментов и грунтов основания. В целом ряде известных работ [1,4] подробно рассматриваются вопросы усиления оснований и фундаментов реконструируемых зданий, в том числе на слабых грунтах.
В данной статье рассмотрены традиционные и современные методы усиления основания в условиях плотной городской застройки.
Традиционные методы усиления основания и фундаментов
В соответствии с классификацией предложенной Б.И. Далматовым [5] способы усиления основания условно можно разделить на традиционные и современные.
Традиционные методы (рисунок 1) состоят преимущественно в увеличении ширины подошвы фундаментов, т.е. обеспечивают уменьшение удельного давления на грунт. Другой способ - углубление подошвы фундамента, что может обеспечить опирание на подстилающий плотный грунт, замену сгнивших деревянных элементов минеральным материалом (церковь Святой Марии в Санкт-Петербурге, 1999-2001 гг.).
Рисунок 1. Примеры традиционных способов усиления фундаментов а) "приладом" из природного камня; б) банкетом из бетона; в) железобетонной обоймой; 1 - бутовая кладка; 2 - кирпичная стена; 3 - "приклад" из камня; 4 - уширение стены; 5 - металлические штыри-анкеры; 6 - бетон;
7 - стальная арматура
Усиление фундаментов домов, попавших в зону подработки при строительстве метрополитена, обычно осуществляется подведением под поврежденное здание сплошных фундаментных плит. Плиты заделывают в штробы, что позволяет обеспечить совместную работу с существующими фундаментами и повысить общую устойчивость фундамента.
Недостатком традиционных способов усиления основания является их трудоемкость, продолжительность производства работ, дороговизна. Также ля включения в работу "приклада", плиты и т.д. должна была произойти некоторая осадка, что могло вызвать дальнейшее развитие деформации здания. По указанным причинам в настоящее время стараются избегать традиционного процесса усиления фундаментов и основания.
Современные методы усиления основания и фундаментов
Современные способы усиления фундаментов и оснований базируются на двух принципах: "пересадке" здания на сваи и закрепление грунтов оснований инъекцией в грунт специальных растворов.
При проектировании реконструкции здания с увеличением нагрузок на фундаменты в грунтовых условиях Санкт-Петербурга геотехнические фирмы в основном применяют способы передачи нагрузки на более прочные грунты с помощью длинных буроинъекционных свай (рисунок 2). К недостаткам такого способа относятся «технологические» осадки, проблематичность контроля качества изготовленных свай, низкая антикоррозионная стойкость, проблематичность заделки голов свай в тело слабого фундамента, который при развитии деформаций в последующий период будет работать как неармирован-ный ростверк. Для усиления перегруженного грунтового основания иногда инъецируют цемент в грунты, например с помощью манжетной технологии. Однако такая технология практически не применима при наличии под подошвами фундаментов водонасыщенных пылеватых песков средней плотности
\Ш\
тт
Рисунок 2. Устройство буроинъекционных свай а, в) односторонняя постановка свай; б, г) двусторонняя постановка 1 - фундамент; 2 - стена; 3 - перекрытие;
4 - лежни; 5 сваи
Применительно к грунтовым условиям Санкт-Петербурга технология струйной цементации (рисунок 3) позволяет эффективно решать не только традиционные
проблемы укрепления слабых пылевато-глинистых грунтов, но и реализовывать новые оптимальные решения сложных задач в области геотехнического строительства.
В статье [6] было выполнено численное моделирование с целью оценки эффективности косвенного способа усиления основания бутовых фундаментов с использованием струйной цементации грунтов. Согласно расчетам, косвенный метод усиления оснований может быть эффек-
а
К насогу
тивным при существенном превышении расчетного сопротивления грунта под подошвой фундамента. Эффект снижения осадки достигается за счет ограничения боковых деформаций грунта и развития значительных сил трения грунта о стенку грунтоцементных колонн. «
Рисунок 3. Высоконапорная инъекция "джет граут" а) бурение скважины; б) начало струйного нагнетания;
в) объем закрепленного грунта
о, аз
ол
II.г
еда
50
15(1
л>и
15(1
:
ч / А? 4
ч 1 ч^
5 •/• А/ Ч
ч
г*, ш
К,м
Рисунок 4. Графики нагрузка-осадка фундамента 1 - наклонные столбы с усилением контактного стоя; 2,3 - вертикальные и наклонные столбы; 4 - наклонные столбы с разрядкой в один диаметр; 5 - вертикальные столбы с разрядкой в один диаметр; 6 - без усиления основания
Конструктивный метод усиления основания путем взятия грунта в обойму
В настоящее время на кафедре "Основания и Фундаменты" ПГУПС под руководством профессора Алексеева С.И. ведутся работы по разработке конструктивных методов усиления основания, одним из которых является взятие грунта в шпунтовую обойму.
Изучением работы основания, взятого в обойму занимались такие ученные как Мурзенко Ю.Н., Борликов Г.М., Пилягин А.В., Усманов Р.А. и др. Выполненные исследования в данной области позволили сделать вывод об эффективности использования таких конструкций для повышения несущей способности основания. За счет ограничения оболочкой боковых перемещений грунта в наиболее напряженной зоне основания, а также улучшением условий работы основания по нижнему концу несущая способность фундаментов возрастает в несколько раз. Применение таких конструкций позволило бы значительно сократить стоимость работ нулевого цикла, а также снизить осадки сооружения.
Ввиду отсутствия инженерного метода расчета фундаментов в обойме такие конструкции не нашли широкого применения при новом строительстве и тем более при усилении оснований реконструируемых зданий.
При реконструкции зданий часто возникает необходимость углубления существующих подвалов, используя пространство для производственных целей. Любое
углубление отметки пола существующего подвала неизбежно связано с изменением расчетной схемы для системы «фундамент - основание». Чаще всего в подобных случаях не выполняется условие расчета по первому предельному состоянию. В этом случае необходимо внесение конструктивных изменений в расчетную схему. Одним из наиболее приемлемых способов является устройство шпунтовой стенки изнутри углубляемого помещения. Такое техническое решение позволяет избежать возможности выпирания грунта из-под подошвы фундамента, т.е. увеличивает его несущую способность, и ограничивает боковое расширение грунта при деформациях основания, что приводит к уменьшению величины осадки.
Являясь частной задачей общей теории предельного равновесия, давление грунта на шпунтовую стенку имеет свои особенности, обусловленные главным образом тем, что поверхности скольжения, возникающие в грунте, в рассматриваемом случае не имеют возможности свободно развиваться, и на их очертание будут влиять соседние близлежащие ограждения. Расположенный между параллельными стенками грунт уплотняется, и часть его веса вследствие трения, возникающего в процессе уплотнения, будет передаваться на боковые массы грунта или боковые стенки. Давление в нижней части засыпки снижается - возникает, так называемый, арочный эффект [9].
Выражение для определения вертикальных напряжений в основании ограниченном шпунтовой обойме можно записать по Цытовичу Н.А. [9]:
от = 1/Ах[ у - (у-Ахр)е-Дг] (1)
где А - коэффициент; у - удельный вес грунта, кН/м3; р - нагрузка на поверхности засыпки, кН/м2; г - глубина, на которой вычисляется вертикальное давление.
Коэффициент А определяется:
- для замкнутых стенок:
А=2^(ф0)/Ь1 = ^(фО)хиФ (2)
- для незамкнутых стенок:
А= ^(ф0)/Ь1 (3)
где ^ - коэффициент бокового давления грунта; ф0 - трение грунта о стенку; Ь1 - полуширина фундамента; и, Р - периметр и площадь ячейки.
Выражение (1) показывает, что по мере увеличения глубины z приращение вертикального давления, а, следовательно, и бокового давления на стенки шпунта уменьшаются (в зависимости от трения грунта о стенку).
Для сравнения инженерного - аналитического метода Н.А. Цытовича было выполнено сопоставление результатов с численными методами решения, основанными на методе конечных элементов.
В программе Plaxis 8.2, для оценки влияния трения на НДС системы "фундамент - основание - стенка", были смоделированы ситуации с разным значением коэффициента трения грунта о стенку.
Для сопоставления двух вышеизложенных методик расчета была, в качестве примера, решена задача со следующими исходными данными: ширина подошвы фундамента - 1 м, давление под подошвой - 200 кПа. Характеристики грунта: удельный вес - 20 кН/м2, угол внутреннего трения - 30°, сцепление - 0, трение грунта о стенку от о до ф.
После определения НДС без использования шпунтового ограждения были смоделированы ситуации с длиной шпунта от 0,5 до 3 м, с коэффициентом трения грунта о стенку от 0 до ф. Результаты представлены в виде графика на рисунке 5.
а) по H.A. Цытовичу
б) по программе Plaxis 8.2
Ъ 500 ■ ■
я
140
НО 120 НО
100
£0 70
S0 50 40
1
2
3
4
3 1« О
1
2
3
4
Длина шпунта, м
. 1]ШМ ПИП ИТ.;, м
Рисунок 5. График зависимости вертикального давления (а) и осадки (б) в зависимости от трения грунта о стенку при различной длине шпунта (1 - ф0 = 0; 2 - ф0 = 1/3ф; 3 - ф0 = 2/3ф; 4 - ф0 = ф)
Анализ результатов вычислений (рисунок 5 б) показывает, что применение шпунтового ограждения позволяет значительно снизить величину осадки в зависимости от коэффициента трения грунта о стенку и длины шпунта. Например, если без шпунта осадка фундамента составляла 14,31 мм, то при использовании шпунтового ограждения длиной 3 м с трением грунта о стенку равного ф, осадка снижается до 5,83 мм (почти в 3 раза). При сравнении значений вертикальных напряжений (от) полученных аналитическим и численным методами расхождения составили до 10%, что подчёркивает достоверность используемых методик.
Таким образом, по методу Н.А. Цытовича можно значительно проще и с достаточной степенью точности оценить влияние трения грунта о стенку шпунтовой обоймы на величину вертикальных напряжений.
Выполненные лабораторные и полевые эксперименты подтверждают эффективность использования
обоймы для повышения несущей способности основания [2-4, 8].
В настоящее время при любой реконструкции к технологиям предъявляются жесткие требования для предотвращения негативных техногенных воздействий на здания. Одним из таких воздействий являются колебания.
В соответствии с нормативным документом [7] при проектировании фундаментов, расположенных в зоне риска для соседней застройки, допустимые параметры колебаний при применении любых геотехнологий определяются из условия:
аф < [а] (3)
где аф - ускорение вертикальных колебаний фундамента на расстоянии до источника колебаний, определяемое по указаниям ВСН 490-87;
[а] - допустимое ускорение вертикальных колебаний фундамента, при котором не происходит дополнительных деформаций оснований, принимаемое для III геотехнической категории - 0,15 м/с2.
При колебаниях, превышающих предельно допустимое значение [а], вероятно возникновение аварийных ситуаций.
С целью определения величины вертикального ускорения на площадке в центральной части Санкт-Петербурга были выполнены вибродинамические измерения (рисунок 6).
Вибродинамический контроль параметров колебаний осуществляется с использованием многоканального
цифрового анализатора вибросигналов, а также с помощью высокочувствительных пьезоэлектрических датчиков ускорения типа АР2038-100 (чувствительность 10 мв/сек2, диапазон частот 0,5 Гц - 12 кГц). В процессе измерений в реальном масштабе времени выполняются измерения вибрации в диапазоне частот 0,5 - 100 Гц по вертикальному направлению.
Как видно из представленного графика (рисунок 7), уровни вибрации в ходе проведения мониторинга согласно [7] не превышают предельно допустимые (0,15 м/с2).
а)
б)
Рисунок 6. Процесс погружения шпунта при углублении подвалов (а) и измерения уровня вибрации (б)
0,01 0,009 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0
п/ц
Л*
„Л*
Time
Рисунок 7. Уровень вибрации в вертикальном направлении (красным отмечен процесс погружения шпунта)
Выводы
Реконструкция старых зданий в Санкт- Петербурге зачастую сопряжена с увеличением нагрузок на ленточные бутовые фундаменты. В условиях слабых грунтов это вызывает развитие дополнительных напряжений в основании, превышающих расчетное сопротивление грунта, и приводящих к развитию нелинейных деформаций основания. Возникающие при увеличении нагрузки на основание неравномерные деформации, негативно влияют на техническое состояние всего здания и могут привести к аварийным ситуациям.
Существующие традиционные методы усиления основания трудоемки и требуют больших затрат и сроков реализации. Также для включения в работу конструкций усиления должна произойти некоторая осадка, что может
вызвать дальнейшее развитие деформации здания. По указанным причинам в настоящее время стараются избегать традиционного процесса усиления фундаментов и основания.
В качестве современного способа усиления основания фундаментов надстраиваемых зданий возможно использование струйной технологии закрепления грунта с косвенным укреплением основания (конструктивное усиление). При этом свойства грунта остаются прежними, но изменяется схема работы основания под фундаментом.
Аналогичные условия работы основания можно добиться путем взятия грунта в шпунтовую металлическую обойму, применяемую при углублении подвалов зданий. Выполненные полевые и лабораторные исследования подтверждают эффективность использования обоймы
для повышения несущей способности основания и снижения деформации основания за счет ограничения боковых перемещений грунта.
Выполненные вибродинамические исследования показали отсутствие негативных техногенных воздействий на здание при погружении шпунта.
Список литературы
1. Алексеев С.И. Геотехническое обоснование мансардных надстроек и углублений подвалов существующих зданий. СПб.: Монография: Изд-во АСВ, 2005.-76 с.
2. Алексеев С.И., Хисамов Р.Р. Использования обоймы для повышения несущей способности основания фундаментов. СПб.: - Известия ПГУПС, выпуск 2, 2014.
3. Алексеев С.И., Хисамов Р.Р. Трение грунта о вертикальную стенку и его влияние на работу основания в шпунтовой обойме. СПб.: - Известия ПГУПС, выпуск 4, 2013.
4. Борликов Г.М., Аринина Э.В. Исследование фундаментов с оболочками для строительства многоэтажных каркасных зданий. Новочеркасск, 1969.
5. Далматов Б.И. Основания и фундаменты. Ч. 2. Основы геотехники. -М.: Изд-во АСВ; СПбГАСУ, 2002.392 с.
6. Парамонов В.Н., Кудрявцев С.А., Богов С.Г. Закрепление грунтов оснований фундаментов зданий по струйной технологии при увеличении нагрузок. -Развитие городов и геотехническое строительство, 2006. -№10.
7. ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. 2004.-57с.
8. Усманов Р.А. Деформации модельных и натурных резервуаров на слабых грунтах. - Нефтепромысловое строительство, 1982. №5. с.5-7.
9. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Госстройиз-дат, 1963.-636с.
УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Семенченко Мария Юрьевна
Студент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск
Болдырев Виталий Тереньтьевич
кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический
университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск
DEVICE OF DIAGNOSTICS OF ELECTROMAGNETS
Semenchenko Mariya Yurevna, student, Federal State Budget Educational, Institution of Higher Professional, Educational "Platov South-Russian, State Polytechnic, University (NPI)", Novocherkassk,
Boldyrev Vitaly Terentevich, candidate of Science, docent, Federal State Budget Educational, Institution of Higher Professional, Educational "Platov South-Russian, State Polytechnic АННОТАЦИЯ
В статье описано аппаратная реализация устройства диагностики электромагнитов по форме вебер-ам-перной характеристики ABSTRACT
In article it is described hardware realization of the device of diagnostics of electromagnets in a form weber - the ampere characteristic.
Ключевые слова: вебер-амперная характеристика рабочего цикла, электромагниты Keywords: Weber-ampere characteristic of the operating cycle, electromagnets
Ферромагнитные материалы и изделия из них широко используются в радиоэлектронике и вычислительной технике. Одной из важнейших отраслей применения ферромагнитов является их использование в качестве магнитопроводов электромагнитов. Известны методы диагностики электромагнитов основанные на анализе формы его вебер-амперной характеристики [1-4]
Нами разработано устройство, позволяющее измерять магнитные статические характеристики электромагнитов.
Структурная схема устройства представлена на
рис. 1.
Структурная схема устройства состоит из следующих элементов:
ВБ1 - входной блок 1-й измеряемой величины (потокос-цепление). Предназначен для усиления сигнала, поступающего с аналогового блока прибора для измерения квазистатических характеристик электромагнитов. Имеет 3 поддиапазона.
ВБ2 - входной блок 2-й измеряемой величины (ток или напряженность магнитного поля) [5, 6, 7, 8]. Предназначен для усиления сигнала, поступающего с аналогового блока прибора, для измерения квазистатических характеристик электромагнитов. Имеет также 3 поддиапазона. К - коммутатор, позволяет выбирать измеряемую величину, требуемую в данный момент времени.
