CC BY
51УДК 624.154.1
Кожедуб В.И., Дьяконов И.П.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10369 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В СЛОЖНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Kozhedub V.I., D 'yakonov I.P.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering PILE FOUNDATIONS DESIGN ON THE SAINT-PETERSBURG'S SOFT SOIL
Аннотация.
Несмотря на развитие методов и технологий проектирования свайных фундаментов, этот процесс все еще заключает в себе определенные трудности. К ним относятся различные погрешности и неточности применяемых формул и используемого оборудования, возникающие из-за огромного разнообразия геологических условий. В данной статье рассмотрен процесс проектирования свайного фундамента в условиях Санкт-Петербурга и предложено дальнейшее проектное решение для анализируемого здания. Выводы, приведенный в этой работе, могут помочь проектировщикам, работающим в данном районе, более качественно и профессионально выполнить расчет здания с точки зрения фундамента.
Abstract.
Despite the development of methods and technologies in design of pile foundations, this process still involves certain difficulties. They are the various errors and inaccuracies of the applied formulas and the used equipment arising because of a huge variety of geological conditions. In this article I have considered the design process of the pile foundation in the conditions of St.Petersburg and proposed a further design solution for the analyzed building. The conclusions made on the basis of this work can help the designers in this area to carry out the calculation of the building in terms of the foundation more efficiently and professionally.
Ключевые слова: сваи, несущая способность, статическое зондирование, фундамент, расчет, здание.
Key words: piles, bearing capacity, static probing, foundation, calculation, a building
Целью данной статьи является рассмотрение условий проектирования свайных фундаментов на примере апарт-отеля "Корабли", сравнение результатов определения несущей способности свай различными способами и выбор дальнейшего проектного решения.
Выбранный для строительства район является сложным с точки зрения геологии, так как здесь
наблюдается множественное напластование слабых водонасыщенных и тиксотропных грунтов общей мощностью около 40м [1].
Данные территории начали осваивать еще во времена СССР. Это доказывают построенные в 1980-х годах четыре "дома на курьих ножках", в проекте которых были реализованы практические идеи французского архитектора Ле Корбюзье [2].
Рис. 1. а - Дом на Новосмоленской набережной; б - фрагмент чертежа
Согласно проектировочным чертежам, под каждым из этих зданий находится по меньшей мере 380 свай длинной 32 м и несущей способностью 120 тонн. Такое количество свай - довольно внушительно, несмотря на небольшую площадь здания в
плане. Конечно, это отчасти объясняется высокой этажностью дома, но также причиной этому являются сложные геологические условия данного района, усложняющие процесс проектирования здания с точки зрения фундамента.
Данное утверждение относится и к рассматриваемому в данной статье зданию, внешний вид которого должен быть таким:
Рис. 2. Внешний вид апарт-отеля.
В рамках выполнения анализа инженерно-геологических условий площадки строительства были рассмотрены имеющиеся данные и было принято предварительное решения относительно следующего проектного действия. При изысканиях было выполнено 24 скважины глубиной 70м. Первым
шагом, необходимым для расчета несущей способности сваи, был анализ всех скважин и выявление наихудшей по условиям для работы сваи [3]. Ей оказалась скважина под номером 14. Фрагмент ли-тологического разреза скважины и графика статического зондирования представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Фрагмент литологического разреза скважины №14 и графика статического зондирования данной скважины
Задачей моей работы был анализ имеющихся данных и принятие предварительного решения относительно следующего проектного действия. При изысканиях было выполнено 24 скважины глубиной 70м. Первым шагом, необходимым для расчета несущей способности сваи, был анализ всех скважин и выявление наихудшей по условиям для работы сваи [3]. Ей оказалась скважина под номером 14.
Выявив нужную скважину, я приступил к расчету несущей способности сваи. Расчет велся по пункту 7.6.6. СП 24.13330.2011 для набивных свай. Конфигурация сваи была выбрана следующая: длина 54м, сечение круглое, диаметр 88см. Такие параметры были выбраны для того, чтобы сравнить значение с результатами статического зондирования. Ниже представлен расчет согласно нормативной документации:
Ра=Ус(гся^^Л + усГи^ГгИ), (1)
где ус — коэффициент условий работы сваи; в случае опирания ее на глинистые грунты со степенью влажности Sr < 0,85 и на лессовые грунты — ус = 0,8; уск — коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи; уск = 1; И — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа И = 3700 кПа ;А — площадь опирания сваи, м2
А = пг2 = 3,14 • 0,442 = 0,608 м2 и — периметр поперечного сечения ствола сваи, м
и = 2пг = 2 • 3,14 • 0,44 = 2,76 м уС{ — коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, ус^ = 0,8;^ — расчетное сопротивление ьго слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа; И.^ —толщина ьго слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; = 1м
кН
= 1849,94
м
Результаты определения несущей длинной 54м и
Ра = Ус (/си +
= 0,8(1 • 3700 • 0,608 + 0,8 • 2,76 • 1849,94) = 5067,41 кН = 516,73 тс
Так же для определения несущей способности свай был использован метод статического зондирования. Его суть заключается во вдавливании зонда в грунт. Специальные датчики, установленные в различных частях зонда, позволяют определить сопротивление грунта под конусом и силу трения по его боковой поверхности. Далее происходит перерасчет полученных данных в несущую способность свай различных конфигураций с помощью специализированных формул.
Для свай с указанной выше конфигурацией наименьшая несущая способность составляет 275 тс.
Данные для сравнения расчета и результатов статического зондирования представлены в таблице 1.
Таблица 1
способности сваи круглого сечения,
Метод определения несущей способности Несущая способность, т. сваи сечением, 88 см*см
Статическое зондирование 275
Расчет по СП 517
По таблице можно заметить, что разница между значениями, полученными в результате расчета по нормативной документации и методом статического зондирования, велика. По этой причине были проведены испытания свай на площадке строительства статической нагрузкой. Ввиду дороговизны испытаний таких свай были испытаны сваи меньшей длины.
Испытания были проведены в соответствии со следующими нормативными документами: ГОСТ 5686-2012 Грунты. Методы полевых испытаний; СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты; СП 50102-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов; ТСН 50-302-2004 Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге; ВСН 490-87 Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки.
Нагрузка на сваи передаётся при помощи домкрата, который устанавливается на оголовок опытной сваи и создает вдавливающее усилие не менее 600 тонн.
В ходе испытаний следует учитывать, что при расчётах несущей способности свай по методике СП трение по боковой поверхности с отметки планировки до отметки дна котлована отсутствует. Для учёта нулевого трения по боковой поверхности следует вести наблюдения за перемещениями анкерных свай для дальнейшего расчёта сил трения или использовать два диаметра обсадных труб - меньший для устройства свай (по всей длине) и больший для создания экрана между сваей и грунтом (от планировки до дна котлована).
Результаты испытаний представлены на рисунке 4:
Корпус № сван по просюу Марка сван X X и § i 1 •-V Абсолютная отметка низа сна и, фактом., м Усилие вдавливания на последних 10 см. Характеристики несущего слоя Результаты испытаний
i Наименование Е, МПа Ц. е Дата испытания X а. is « = а ш х Е - К § i 1 s и X а 2 tz i 3 ¡i ¡| 1 í g Несундо способность сван по грунту, по результатам испытания (ТСН 50-3022004 табл. 4.1 и СП 24.13330.2011 п. 7.3.5), тони
- 1 С320.40-Са 09.10.2018 -30,00 168,30 18 Супмоая легкие пылеяятые полутвердые серые с гравием, галькой до 54 14.00 0,14 - 05.11.2018 225,00 10,23 225,00
- 2 С320.40-Св 08.10.2018 -30,00 129,40 11 Суглинки легкие кылеитые текучеолястячныс серые слоистые 8,00 0,83 - 01.11.2018 225,00 13,82 225,00
Рис. 4. Результаты испытаний свай статической нагрузкой.
Как видно из документа, были испытаны 2 сваи квадратного сечения со стороной 40см и длиной 32м, каждая из них понесла нагрузку в 225
тонн, получив при этом осадку в размере 10 и 13 мм соответственно. Графики испытаний свай представлены на рисунке 5:
График зависимости осадки S от нагрузки Р
а Р (тонны)
0 20 40 60 50 100 120 140 160 180 200 220 240
0 5 в - -4 J- F ■ ... - н S- - - _ - _ - L - - - - - - -
10 15 - - - - - - - - -
20 - : - - - -
25 10 - = - Е Г - - = - - - - I h - Е
35 - - _ - = г ... - - У - - - - =1 - - - - - -
Е £ 40 - - г - - - - -
(Л 45
График зависимости осадки S от нагрузки Р
б
Р (тонны)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Рис. 5. а - график испытания сваи №1; б - график испытания сваи №2
Как и для сваи длиной 54 метра, был произведен расчет несущей способности сваи .№2, получившей наибольшую осадку. Он велся по пункту 7.6.2 СП 24.13330.2011 как для забивной сваи, потому
что именно этим способом были погружены сваи на площадке.
Результат расчет оказался следующим:
Ра=Ус(Уся^^А + усГи^Г1^1), (2) где Ус — коэффициент условий работы сваи; ус = 1; Уси — коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи; уся = 1; И — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа И = 8660 кПа; А — площадь опирания сваи, м2
А = г2 =0,4 • 0,4 = 0,16 м2 и — периметр поперечного сечения ствола сваи, м
и = 4г = 4^ 0,4 = 1,6 м уС{ — коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, ус^ = 1; ^\ — расчетное
сопротивление ьго слоя грунта на боковой поверхности ствола сваи, кПа; И.^ —толщина ьго слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м; = 0,5м
кН
Ггк1 = 263,2 —
L
м
Ра = Ус [Уся +
= 1(1 • 8660 • 0,16 + 1 • 1,6 •263,2) = 189,36 тс Результаты определения несущей способности сваи различными способами представлены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты определения несущей способности сваи квадратного сечения, _длинной 32м и стороной 40см_
Метод определения несущей способности Несущая способность, т. сваи сечением, 40х40 см*см
Статическое зондирование (для квадратной сваи 40х40см) 123
Расчет по СП 24.13330.2016 190
Испытания статической нагрузкой 225
Легко можно заметить, что результаты расчета по СП и данные испытания статической нагрузкой оказались близки, чего нельзя сказать о статическом зондировании. Как и в случае с круглой буро-набивной сваей длиной 54м, результаты статического зондирования сильно занижены.
Несмотря на то, что сваи понесли нагрузку 225т и получили очень маленькую осадку, осадка
условного фундамента здания будет иметь значительно большее значение, потому что принципиальная схема взаимодействия с грунтом одиночной сваи отличается от схемы взаимодействия грунта и целого свайного фундамента. Объясняющий рисунок представлен ниже [4].
Одиночная свая
Свайный фундамент
Зона взаимодействия с грунтом одиночной сваи под нагрузкой
Зона взаимодействия с грунтом свайного фундамента под нагрузкой
Рис. 6. Принципиальная разница во взаимодействии с грунтом одиночной сваи и целого свайного
фундамент
Согласно СП 22.13330.2016 предельная осадка фундамента равно 18см. Осадка, рассчитанная методом послойного суммирования согласно СП 22.13330.2016 оказалась равной 22,9 см, что превышает максимально допустимое значение. Это говорит о том, что сваи длиной 32м нельзя использовать для устройства фундамента данного здания.
На основе полученных результатов можно сделать несколько выводов:
1) Метод статического зондирования дал большую погрешность при определении несущей способности свай. Наиболее вероятная причина -наличие сложного напластования слабых водона-сыщенных и тиксотропных грунтов в районе строительства, повлиявшего на результаты зондирования и сильно занизившего их.
2) Расчет по нормативной документации позволил более точно предсказать несущую способность этих свай.
3) Наиболее оптимальным проектным решением будет рассмотрение в качестве основного варианта свай круглого сечения с диаметром 88см для обеспечения опирания всех свай в один ИГЭ на абсолютной отметке -51.7м и проведение дополнительных статических испытаний этих свай.
Литература:
1. Акт министерств и ведомств "Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием" от 18.12.2012 № 19912-2012 // Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - 27.12.2012 г. - № 2005-ст.
2. Галкина, Юлия. Я живу в доме «на курьих ножках» на «Приморской» (Петербург) // The Village URL: https://www.the-village.ru/village/city/where/226119-chicken-legs (дата обращения: 01.06.2019).
3. Мангушев Р.А. . Ершов А.В. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ Методические указания. -СПб.: СПбГАСУ, 2014. - 90 с.
4. Основания и фундаменты / Мангушев, Карлов, Сахаров, Осокин, Под ред. Мангушева Р.А. -СПб.: АСВ, 2011. - 394 с. - С. 107-108.
5. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г Гид по геотехнике. СПб.: ПИ «Геореконструкция», 2012. 284 с.
6. Мангушев Р.А., Ершов А.В., Ершов С.В. Экспериментальная оценка изменения состояния грунтового массива при изготовлении набивной сваи // Научно-практические и теоретические проблемы геотехники: межвузовский тематический сборник трудов. 2009 Т. 1.
7. Ершов А.В., Нутрихин В.В. Оценка несущей способности набивных свай с использованием данных статического зондирования // Инженерные изыскания. 2011. #7.
8. Fleming K., Weltman A., Randolph M., Elson K. Piling Engineering. NY:Third Edition, 2009, pp. 127, 271-280
9. Mangushev R.A. // Pile Construction Technology. Monograph. ASV Construction, Stockholm, Sweden. 2015. - 228 p.
