CC BY
102
- © В.Я. Смолак, П.А. Кравченко, 2014
УДК 624.139
В.Я. Смолак, П.А. Кравченко
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК В СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТАХ
Приведены результаты моделирования свайно-плитных фундаментов в лабораторных условиях. Исследования производилось с целью определения закономерностей распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах. Изучено влияние плотности грунта на распределение нагрузок. Кроме того оценено влияние плотности грунта на осадку свайно-плитных фундаментов.
Ключевые слова: свайно-плитный фундамент, распределение нагрузок, нагрузка на сваи.
Введение
В настоящее время на территории Санкт-Петербурга активно ведется уплотнительная застройка, возводится большое количество новых зданий. Грунтовые условия строительных площадок, как правило, представлены слабыми грунтами. Устройство свай-стоек не всегда является рациональным решением проблемы, т.к. наиболее подходящие для заделки острия сваи моренные слои грунта на территории Санкт-Петербурга располагаются на глубине от 25 до 40 м. Зачастую приходится отказываться от использования свай-стоек, заменяя их сваями трения (висячими сваями)
В соответствии существующей нормативной литературой [1] необходимо проектировать свайные фундаменты на сваях трения исходя из условия, что вся нагрузка на основания передается сваями, ростверк в работу не включается. К тому же расчетные методы, приведенные в [1] позволяют определить несущую способность свайного фундамента с большим запасом.
Работа плиты в свайно-плитном фундаменте может быть учтена в соответствии со Сводом Правил по проектированию и строительству [2]. Однако, в этом случае нагрузка, передаваемая на основание плитой со-
ставляет 15%. В случае с относительно короткими сваями подобный подход не отражает реальной картины в распределении нагрузок.
Данный вопрос рассматривался как отечественными, так и иностранными авторами [3-10]. Однако, авторы практически во всех случаях рассматривают случаи с использованием свай длиной более 10 м.
В настоящей статье рассмотрены вопросы распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах на коротких сваях (длиной 3 м).
1. Описание эксперимента
В лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС с целью изучения особенности распределения нагрузок в свайно-плитных фундаментах было выполнено несколько серий лотковых экспериментов.
Эксперименты проводились в лоток диаметром 710 мм, высотой 1300 мм. Грунтовые условия моделировались пылеватым песком в рыхлом состоянии, что типично для верхней части геологического разреза центральной части Санкт-Петербурга.
Нагрузка на штамп передавалась через шток, закрепленный на нагрузочной раме. Нагрузка увеличивалась пошагово после стабилизации осадок от предыдущей ступени. За критерий
стабилизации принималась осадка, не превышающая 0,01 мм за интервал времени 15 минут.
С целью измерения нагрузок, передаваемых сваями на основание, был изготовлен специальный штамп размерами в плане 1,5 х 1,5 м с четырьмя сваями длиной 3 м и диаметром 0,16 м в масштабе 1:10. Штамп был изготовлен из оргстекла толщиной 50 мм. Сваи были выполнены из алюминиевых трубок диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм. На штампе закреплялся измерительный механизм (см. рис. 1).
Принцип работы такой измерительной системы заключался в следующем: в отверстиях для установки свай (1) в штамп (8) были закреплены направляющие (2). Это позволило снизить отклонение свай от вертикальной оси при установке. В верхней части сваи устанавливается ролик (3), изготовленный из алюминиевой трубки диаметром 6 мм. Этот ролик упирается в стальное коромысло (4), закрепленное с одной стороны на раме (5). Крепление коромысла к раме выполнено в виде шарнира, что позволяет
ему вращаться в плоскости перемещения сваи. Другой конец коромысла прикреплен к штампу при помощи пружины (6). При включении сваи в работу на коромысло будет передаваться нагрузка, которая его угловые перемещения относительно шарнира. Перемещения фиксируются индикатором перемещений часового типа.
Перед началом каждого эксперимента песок извлекался из лотка и укладывался обратно, производилось послойное уплотнение грунта. Толщина каждого слоя составляла 5 см. После заполнения лотка режущим кольцом отбиралась проба грунта, определялась плотность и влажность грунта. Далее режущим кольцом отбирались пробы грунта и определялась их плотность. В рассмотренных в статье сериях экспериментов плотность грунта находилась в диапазонах 1,40-1,44 г/см3 и 1,28-1,32 г/см3
2. Распределение нагрузок в при плотности грунта 1,40-1,44 г/см3
В данной серии экспериментов исследовалось распределение нагрузок между сваями и фундаментной пли-
Рис. 1. Схема измерительного оборудования штампа (слева) и штампа (справа)
300 350 <300
Нагрузка на штамп, (кг]
Рис. 2. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями от общей нагрузки на штамп в процентном соотношении
90,00
г"
I
ю,оо
-1-Н
-
1 1 1 I I
-И-
ГГГТТ
-Ы—М—I-
—
+-н
ш
+
-к^г
~И I I I — ' I У-Рт >!*г1 гтг
I
т—т—г
I I I
...
■ ■■■ х£
шШ1
* ■ ■ ■ ■
+++ I I I
1~Г
-I
ТТ«1_Н М-
ж
и»
! I |
I [ п -н-
I Т
I I I I I I I -и
0 50 100 150 200 250 300 350 400
♦ Эксперимент 1 ■Эксперимент 2 I Эксперимент 3 ^Эксперимент^ Нагрузка на штамп, (иг)
Рис. 3. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями от общей нагрузки
на штамп в кг
той. Серия состояла из четырех экспериментов с моделью свайно-плит-ного фундамента. Загружение модели производилось до нагрузки в 342 кг. Провальной осадки зафиксировано не было, значение максимальной нагрузки обусловлено конструктивными особенностями оборудования.
Максимальное расхождение результатов (суммарная нагрузка на сваи в процентном соотношении) наблюдалось на первых ступенях эксперимента. При нагрузке на штамп в диапазоне 27-54 кг расхождение достигало 35,4%. С дальнейшим увеличением нагрузки на фундамент наблюдалось уменьшение расхождения результатов. Максимальная нагрузка на фундамент в каждом опыте составляла порядка 324-342 кг. Дальнейшее увеличение нагрузки не представлялось возможным исходя из конструктивных особенностей оборудования. Расхождение результатов, полученное при максимальной нагрузке, составило 29,8% (см. рис. 2).
На начальном этапе нагружения модели фундамента (до нагрузки 30-50 кг) наблюдался резкий рост нагрузки на сваи. Далее наблюдалось снижение отношения нагрузок. Отношение передаваемой сваями на основание нагрузки на основание к общей нагрузке достигало значения в 20-30% при достижении общей нагрузкой значения приблизительно 150 кг. Далее и до конца эксперимента соотношение нагрузок между сваями и фундаментом в процентном соотношении стабилизировалось. При этом после достижения нагрузкой на модель фундамента значения приблизительно 65 кг прирост нагрузки передаваемой сваями на грунт основания в кг оставался практически стабильным (см. рис. 3).
Наиболее высокие значения нагрузки, передаваемой сваями, зафиксированы при нагрузке на штамп в диапазоне 27-54 кг, их значения достигали 56% от общей нагрузки на фундамент.
80,00 70,00 60,00 50,00 Я 40,00
30,00 20,00 10,00 0.00 *
А ---
А -
-■ - —_____
--А—
А
-Т | -
А . * А ГТ^ПГТ
А л л а ! Дд
--- ____________________ 31
50
100
150
200 250 300
Общая нагрузка на фундамент
1 а Эксперимент N51.0 % 2 а Эксперимент №2, в % 3 * Эксперимент N93,6 %
Рис. 4. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями от общей нагрузки на штамп в процентном соотношении
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
" 20,00
10,00
0,00
>2
—•—
•
< ♦ 1
ш •
• • •
• •
М* " з
* *
■
•
■ •
* *»
» I •
1
ж ~
• •
1*
••
50
100
150
200 250 300
Общая нагрузка на фундамент
1 • Эксперимент №1, в кг 2 • Эксперимент №2, в кг 3 • Эксперимент N93, в кг Рис. 5. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями от общей нагрузки на штамп в кг
3. Распределение нагрузок в при плотности грунта 1,28-1,32 г/см3
В рамках серии из трех экспериментов были получены основные зависимости нагрузок, передаваемых сваями на основание при меньшей плотности грунта. Нагружение модели фундамента производилось до провальной осадки штампа.
Эксперименты показали, что в диапазоне нагрузок на фундамент от 20 до 100 кг роль сваи передаче нагрузок фундаментом на основание снижается со значения в 31% до значения в 22%. Далее нагрузка, передаваемая сваями на основание в процентном соотношении стабилизируется и вплоть до срыва находится в пределах от 21% до 24% (см. рис. 4). При этом прирост нагрузки в килограммах на каждом шаге остается практически стабильным (см. рис. 5).
В процессе проведения эксперимента результаты показали довольно высокую корреляцию. Максимальное расхождение результатов не превы-
сило 18,3%, в то время как расхождение по несущей способности в трех экспериментах не превысило 7,5%.
Заключение
Во всех сериях экспериментов при постоянном стабильном росте нагрузки на сваи при пошаговом нагружении штампа наблюдается «выравнивание» графиков, что свидетельствует о стабильном соотношении в распределении нагрузок между сваями и ростверком. В связи с небольшим расхождением в значениях экспериментов, его результаты были оценены по среднему значению. Осредненные графики зависимостей приведены на рис. 6.
Если рассматривать долю нагрузки, которою сваи передают на основание как исследованную величину, то по результатам экспериментов можно сделать следующий вывод: в условиях моделирования свайно-плитного фундамента при постепенном нагружении модели фундамента можно выделить три основных этапа. Начальный этап
Рис. 6. Диаграмма осредненных зависимостей
нагружения характеризуется весьма высоким ростом нагрузки на сваи. На втором этапе происходит более плавное снижение значения нагрзок, передаваемых сваями, отнесенных к общей нагрузке на штамп. На третьем этапе происходит стабилизация рас-
пределения нагрузок в процентном соотношении. В рассмотренных случаях можно сделатьвывод о стабильном значении распределения нагрузок в свайном фундаменте. Нагрузка, передаваемая сваями на основание, составляет 22-24%.
1. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция. - М.: Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011.
2. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. - М.: Госстрой России, 2003.
3. Курилло С.В., Скороходов А.Г., Федоровский В.Г. К расчету осадок свайных и свай-но-плитных фундаментов. - М.: НИИОСП, 2003.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б. С. Прогноз осадок свайных фундаментов / Под ред. А.А.Бартоломея. - М.: Стройиздат, 1994. - С. 30-72.
5. Шепелев Н.П., Шумилов М.С. Реконструкция городской застройки. - М.: Высшая школа, 2000.
6. Фиораванте В., Ямиолковский М.Б. Физическое моделирование плитно-свайных фундаментов // Развитие городов и геотехническое строительство. - 2006. - № 10.
7. Der-Guey Lin, Zheng-Yi Feng. A numerical study of pile raft foundations // Journal of the Chinese Institute of Engineers. - 2006. -Vol. 29. - № 6. - Pp. 1091-1097.
8. Gandhi S.R., Maharaj D.K. Behavior of piled raft under uniform loading // Indian Geo-technical Conference (IGC-95), Bangalore, December. - 1995. - Vol. 1. - Pp. 169-172.
9. Schwab H.H., Gundling N., Lutz B. Monitoring pile raft soil interaction. proc. of symposium on Field Measurements in Geo-technics. - Sorum, Balkema, Rotterdam 1991, pp. 117-127.
10. Serge Borel, Olivier Combarieu. Some observations on pile footings. - Budapest: 2nd Int. PhD Symposium in Civil Engineering, 1998. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Смолак В.Я.,
Кравченко Павел Александрович - ассистент,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, e-mail: [email protected].
UDC 624.139
LOAD DISTRIBUTION IN PILE-RAFT FOUNDATIONS
Smolak V.Ya., Kravchenko P.A., Assistant,
Petersburg State Transport University, e-mail: [email protected].
The article describes results of modeling of pile-raft foundations in in laboratory conditions. Research was made to determination of regularities load distribution in pile-raft foundations. Agency of density of soil on load distribution was investigated. Besides estimated agency soil density on settlement of pile-raft foundations.
Key words: pile-raft foundation, load distribution, load on pile.
REFERENCES
1. SP 24.13330.2011. Svainye fundamenty. Aktualizirovannaya redaktsiya (Construction rules 24.13330.2011. Pile foundations. Updated edition), Moscow, Ministerstvo regional'nogo razvitiya Rossiiskoi Federatsii, 2011.
2. SP 50-102-2003. Proektirovanie i ustroistvo svainykh fundamentov (Construction rules 50-1022003. Design and arrangement of pile foundations), Moscow, Gosstroi Rossii, 2003.
3. Kurillo S.V., Skorokhodov A.G., Fedorovskii V.G. K raschetu osadok svainykh i svaino-plitnykh fundamentov (Calculation of settlement of pile and pile-and-slab foundations), Moscow, NIIOSP, 2003.
4. Bartolomei A.A., Omel'chak I.M., Yushkov B.S. Prognoz osadok svainykh fundamentov. Pod red. A.A. Bartolomeya (Forecast of settlement of pile foundations, Bartolomei A.A. (Ed.)), Moscow, Stroiizdat, 1994, pp. 30-72.
5. Shepelev N.P., Shumilov M.S. Rekonstruktsiya gorodskoi zastroiki (Reconstruction of urban development), Moscow, Vysshaya shkola, 2000.
6. Fioravante V., Yamiolkovskii M.B. Razvitie gorodov i geotekhnicheskoe stroitel'stvo, 2006, no 10.
7. Der-Guey Lin, Zheng-Yi Feng. A numerical study of pile raft foundations. Journal of the Chinese Institute of Engineers, 2006, Vol. 29, no 6, pp. 1091-1097.
8. Gandhi S.R., Maharaj D.K. Behavior of piled raft under uniform loading. Indian Geotechnical Conference (IGC-95), Bangalore, December, 1995, Vol. 1, pp. 169-172.
9. Schwab H.H., Gundling N., Lutz B. Monitoring pile raft soil interaction. proc. of symposium on Field Measurements in Geotechnics. Sorum, Balkema, Rotterdam 1991, pp. 117-127.
10. Serge Borel, Olivier Combarieu. Some observations on pile footings. Budapest: 2nd Int. PhD Symposium in Civil Engineering, 1998.
A
