CC BY
374
ВЕСТНИК ПНИПУ
2014 Строительство и архитектура № 2
УДК 624.154
В.С. Глухов, О.В. Хрянина, М.В. Глухова
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
Пенза, Россия
СВАЙНО-ПЛИТНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА КОМБИНИРОВАННОМ ОСНОВАНИИ
В статье представлены результаты исследования влияния свайно-плитного фундамента на осадку свай с уширением, на основе которых сделан вывод о целесообразности и экономической выгоде учета работы плит по грунтовому основанию.
Ключевые слова: свайно-плитный фундамент, комбинированное основание, сваи в пробитых скважинах, несущая способность, осадка.
V.S. Glukhov, O.V. Hryanina, M.V. Glukhova
Penza State University of Architecture and Building, Penza, Russian Federation PILE-SLAB FOUNDATION ON THE COMBINED BASIS
The article presents the results of studies of the effect of pile-foundation slab on piles upset with the broadening on the basis of which concluded the feasibility and economic benefits of registration plates on the subgrade.
Keywords: pile-slab foundation, combined basis, punched holes in piles, bearing capacity, settlement.
Одной из актуальных проблем современного фундаментострое-ния является выбор надежного варианта фундаментов высотных зданий, от которых в пределах пятна застройки здания на грунтовое основание передается давление порядка 400-600 кПа. Традиционными видами фундаментов многоэтажных зданий при указанных нагрузках на грунты являются фундаментная плита или сваи в виде сплошного свайного поля. Однако нагрузки от зданий таковы, что в большинстве грунтовых условий указанные варианты фундаментов не обеспечивают нормальной работы основания и зачастую расчетная осадка превышает предельно допустимую.
Одним из перспективных направлений при выборе типа фундаментов в этом случае можно считать свайно-плитные фундаменты [1]. Но рекомендации СП 50-102-2003 по ограничению распределения нагрузок на плиту в пределах 15 % от общей нагрузки на фундамент практически не дают положительного результата.
Авторами данной статьи выполнены исследования взаимовлияния плиты и свай в свайно-плитном фундаменте при различных долях нагрузок на указанные элементы. Исследование проводились при проектировании 16-этажного жилого дома в мкр. Арбеково г. Пензы. Расчетная равномерно распределенная нагрузка под стенами от надземной части здания для различных участков принята в диапазоне от 900 до 2000 кН/м. Общая расчетная нагрузка от здания в уровне верха плиты N0 = 210000 кН.
Инженерно-геологические изыскания проведены ОАО «ПензТИ-СИЗ» в соответствии с требованиями нормативных документов. Геоморфологически участок расположен в долине ручья. Рельеф участка застройки практически ровный, с общим уклоном на восток. Грунтовые воды вскрыты на глубине 1,6—1,8 м. Вследствие этого на участке развиты неблагоприятные геологические процессы, что связано с нарушением стока поверхностных вод и заболачиванием поверхностей.
В геологическом строении площадки строительства до разведанной глубины 40 м, принимают участие четвертичные аллювиальные отложения аQ и отложения маастрихтского яруса верхнего отдела меловой системы К2т. Физико-механические характеристики площадки строительства представлены в таблице.
Физико-механические показатели грунтов
Номер ИГЭ Геологический индекс Мощность слоя, м Описание грунтов кН/м3 4 Е, МПа Ф, град с, кПа
ИГЭ-1 рdQIV 0,5 Почвенно-растительный слой 15 - - - -
Глина аллювиальная,
ИГЭ-3 аQ 6,5 мягкопластичная, не-просадочная, набухающая, сильнопучи-нистая 18,6 0,6 6,0 13 13
Глина аллювиальная,
ИГЭ-4 аQ 2 тугопластичная, непро-садочная, ненабухаю-щая 18,5 0,4 7,0 20 35
Глина аллювиальная,
ИГЭ-6 аQ 12 тугопластичная, непро-садочная, ненабухающая 18,9 0,4 14 19 33
Коренная глина мааст-
ИГЭ-9 Кт 18,5 рихт, полутвердая, непросадочная, нена-бухающая 17,4 0,1 40 19 42
Расчетное сопротивление грунта естественного сложения под подошвой плиты определяется по формуле (5.5) СП 50-101-2004. При определении расчетного сопротивления учитываются осредненные ха-
1
рактеристики слоев грунта толщиной
-Ъ , залегающих ниже подошвы
4
плиты. Глубина заложения подошвы 2,0 м. Ширина подошвы плиты Ъ = 22,0 м.
С учетом характеристик слоев грунта естественного сложения под плитой расчетное сопротивление составило Я = 195,0 кПа, а предельное сопротивление Ри = 330 кПа.
С учетом сложных грунтовых условий и низких характеристик физико-механических свойств верхних слоев грунта принято решение о закреплении верхнего слоя грунта «раскаткой» с последующей срезкой буферного слоя толщиной около 0,5 ми заменой его песчано-гравийной смесью с уплотнением. Набивные щебеночные сваи в раскатанных скважинах (НРС) выполнены круглого сечения, диаметром 250 мм и длиной 3,5 м (рис. 1).
Рис. 1. Схема свайно-плитного фундамента с закреплением верхнего грунтового слоя «раскаткой»
В результате работ по закреплению грунтового основания путем раскатки указанные параметры существенно улучшились. Расчетное сопротивление закрепленного грунта под подошвой плиты определялось с учетом средневзвешенных характеристик и в пределах закрепленного слоя составило ЯЗ = 325 кПа. Модуль деформации 6,0 МПа возрос до Е3 = 8 МПа.
Расчетная нагрузка в уровне верха плиты от здания составит порядка N = 210000 кН. При расчете основания по II группе предельных состояний учитывается расчетная нагрузка с коэффициентом перегрузки, равным единице. В нашем случае указанная нагрузка от здания в уровне верха плиты ^ = 183750 кН. Площадь плиты А = 591 м2. Вес плиты Q = 9930 кН. Тогда среднее давление под плитой Рср = 330 кПа. Таким образом, Рср ~ Я = 325 кПа, а значит, условие работы основания в линейной стадии не выполняется.
При наличии в основании непосредственно под плитой закрепленного слоя грунта с модулем деформации Е3 = 8 МПа и достаточно большой ширине фундамента определяющим является расчет осадки. С учетом данных грунтовых условий, геометрических параметров плиты и среднем давлении Рср = 330 кПа расчетная осадка составила £нрс = 38 см. При этом мощность сжимаемой толщи около 30 м. По результатам расчета осадки плиты с учетом усиления слоя «раскатыванием» расчетная деформация основания более 38 см, что в 2 раза превышает предельно допускаемую для данного вида сооружений 8и = 18 см.
Авторами предложен вариант устройства фундаментов на комбинированном основании. Фундамент включает устройство набивных щебеночных свай в раскатанных скважинах (НРС) и сваи в пробитых скважинах с уширением (СПС) [2]. Указанные сваи объединяются сплошной монолитной железобетонной плитой (рис.1).
Вычисление расчетных показателей комбинированного свайно-плитного фундамента проводят по методике, изложенной в СП 50-1022003 с использованием последовательных приближений.
С целью обеспечения надежной работы грунтового основания в предложенном варианте распределение долей нагрузок между плитой и сваями принято 50/50 процентов: NIIпл = 96840 кН; ^1св = 96840 кН. Давление под подошвой плиты составляет Рпл = 163,8 кПа. Расчетная осадка плиты при указанном давлении на грунтовое основание составила £пл = 17,5 см, что не превышает предельно-допустимую 8и = 18 см. При этом мощность сжимаемой толщи Нс = 21,5 м.
Сваи в пробитых скважинах с уширением приняты круглого сечения, диаметром 530 мм и длиной 8 м. Диаметр уширения ёуш = 1 м.
Уширение устраивается в два уровня путем втрамбовывания щебня в общем объеме 1 м3 отдельными порциями из расчета заполнения скважины на 0,3-0,5 м по высоте. Каждая порция засыпается после втрамбовывания предыдущей до проектной отметки скважины. Втрамбовывание жесткого материала производится сбрасыванием трамбовки с высоты 1,5-3,0 метра до тех пор, пока не будет погружен в грунт требуемый объем жесткого материала. Для армирования свай принята арматура класса ^400. Бетонирование сваи производилось враспор бетоном класса В20, W6 с последующим уплотнением вибраторами.
Несущая способность набивных свай с уширением Fd определяется по формуле (7.11) СП 50-102-2003 и равна 1766 кН. Расчетно-допускаемая нагрузка на сваю равна Ырд = 1300 кН. Если не учитывать работу плиты, необходимое количество свай около 165 шт. При учете работы плиты расчетная нагрузка (50 %), приходящаяся на сваи, NI = Nif Yf = 96840 • 1,1= 106524 кН. Тогда количество свай, необходимое для восприятия указанной нагрузки, n= NI / Nm = 82 шт.
В соответствии с требованиями СП 50-102-2003 при проектировании свайно-плитных фундаментов минимальное расстояние между осями свай должно быть не менее чем 5 диаметров свай. Поэтому расчет свайного основания по деформациям сведен к расчету осадки одиночной сваи. Однако, учитывая, что сваи приняты с уширением и давление под последним (уширением) весьма значительно (рис. 2), осадку одиночной сваи определяли с учетом влияния соседних восьми свай, расположенных на расстоянии 2,5-3,0 м (5-6d).
Определение осадки СПС [3, 4] с использованием схемы грунтового основания в виде линейно-деформируемого полупространства выполняется с учетом уплотненного трамбованием под уширением слоя грунта толщиной 0,8 м с модулем деформации Е = 20 МПа и нагрузки на сваю NII + Q$>rр=Nрд/1,1=1180 кН. Расчетная осадка составила Sca = 4,8 см. Мощность сжимаемой толщи Нс = 4,6 м.
Для данных граничных условий и конструктивных особенностей здания, характера и диапазона нагрузок разрабатывалось наиболее оптимальное решение, в котором узловым вопросом являлось сочетание долей нагрузок на плиту и сваи. Определялось соотношение усилий, которые целесообразно передать на грунтовое основание под плитой,
и нагрузка, которая должна восприниматься сваями. Как показало исследование, определяющим при постановке вопроса является расчет основания по деформациям [3, 4, 5].
Рис. 2. Характер совместных деформаций основания свайно-плитного фундамента
Осадка плиты ^пл =10,0 см и включает деформацию грунтового основания слоя в пределах уровня подошвы плиты и подошвы ушире-ния СПС. Осадка £спс включает осадку одиночной сваи от нагрузки Nи + бф,гр = 1180 кН с учетом взаимовлияния от соседних восьми свай и деформации основания от дополнительного давления плиты о2р.сп. Деформация основания слоев грунта ниже эпюры дополнительных давлений от сваи составляет £совм=1,2 см.
Таким образом, максимальная осадка свайно-плитного фундамента складывается из осадок плиты, свай и осадки совмещенной зоны £ = ^ + + £спс+ £совм =10,0 +4,8 +1,2 = 16,0 см. Это в 2,3 раза меньше осадки плиты без учета работы свай в пробитых скважинах (£нрс = 38 см) и меньше пре-
дельно допустимой осадки для данного сооружения S =16 см < Su =18 см. Следовательно, перераспределив давления под плитой и сваей до 50 %, можно уменьшить требуемое количество свай со 165 шт. из расчета обеспечения несущей способности до 82 шт. (при условии размещения свай с шагом 5d, где d- диаметр сваи).
Проектирование по изложенной методике комбинированного свайно-плитного фундамента 16-этажного жилого дома в г. Пензе с использованием свай в пробитых скважинах позволило получить значительную экономию затрат (до 20 %) по сравнению с вариантом фундамента из составных свай длиной 17 м. При этом обеспечивается величина прогнозируемой осадки фундамента и равномерность в допустимых пределах на грунтовом основании, сложенном слабыми водонасыщенными грунтами.
Библиографический список
1. Глухова М.В., Галова Ю.С., Глухов В.С. Исследования влияния плиты ростверка на осадку свай с уширением // Известия Юго-Западного гос. ун-та. - Курск, 2011. - №5 [38]. - Ч. 2. - С. 360-363.
2. Проектирование и устройство свайных фундаментов и упрочненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах: практ. пособие / В.И. Крутов, В.К. Когай, И.К. Попсуенко, В.С. Глухов, И.С. Арутюнов. - Пенза: Пенз. гос. ун-т архит. и строит, 2011. - 100 с.
3. Глухов В.С, Хрянина О.В., Глухова М.В. Исследования влияния уширения свай в пробитых скважинах на осадку // Известия Юго-Западного гос. ун-та. - Курск, 2011. - №5 [38]. - Ч. 2. - С. 351-354.
4. Глухов В.С, Хрянина О.В., Глухова М.В. Пути уменьшения деформаций грунтового основания фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширением // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. -Пенз. гос. ун-т архит. и строит. - Пенза, 2012. - С. 150-152.
5. Глухов В. С, Глухова М.В. Исследование деформаций грунтового основания с учетом взаимного влияния свай с уширением // Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы междунар. науч.-техн. конф. - СПб., 2014. - Ч. 1. -С. 183-187.
References
1. Glukhova M.V., Galova Yu.S., Glukhov V.S. Issledovaniya vliyaniya plity rostverka na osadku svay s ushireniem [Research on the foundation framework on settlement piles with broadening]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo go-sudarstvennogo universiteta, Kursk, 2011, no. 5 [38], vol. 2. pp. 360-363.
2. Krutov V.I., Kogay V.K., Popsuenko I.K., Glukhov V.S., Arutyunov I.S. Proektirovanie i ustrojstvo svajnykh fundamentov i uprochnennykh osnovanij iz nabivnykh svaj v probitykh skvazhinakh: prakt. posobie [Design and building of pile foundations and bases of reinforced piles in the punched holes]. Pensenskiy gosudarstvenny universitet architek-tury i stroitelstva, 2011. 100 s.
3. Glukhov V.S, Khryanina O.V., Glukhova M.V. Issledovaniya vliyaniya ushireniya svay v probitykh skvazhinakh na osadku [Research on the influence of broadening piles of punched holes on the settlement]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta, Kursk, 2011, no. 5 [38], part 2, pp. 351-354.
4. Glukhov V.S, Khryanina O.V., Glukhova M.V. Puti umen'sheniya deformatsij gruntovogo osnovaniya fundamentov v vytrambovannykh kot-lovanakh s ushireniem [Ways to reduce the strain of base foundations beating pits with the broadening]. Materialy II Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Aktual'nye problemy proektirovaniya i vozve-deniya zdaniy i sooruzheniy s uchetom energosberegayushchikh tekhnologiy i metodov stroitel'stva», Pensenskiy gosudarstvenny universitet architektury i stroitelstva, 2012. pp. 150-152.
5. Glukhov V.S, Glukhova M.V. Issledovanie deformatsiy gruntovogo osnovaniya s uchetom vzaimnogo vliyaniya svaj s ushireniem [Research on the deformation the soil basis, taking into account the mutual influence of piles with a broadening]. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy kon-ferentsii «Sovremennye geotekhnologii v stroitel'stve i ikh nauchno-tekhnicheskoe soprovozhdenie», Saint Petersburg, 2014, vol. 1. pp.183-187.
Об авторах
Глухов Вячеслав Сергеевич (Пенза, Россия) - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Геотехника и дорожное строительство» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства; e-mail:info@novotech.ru
Хрянина Ольга Викторовна (Пенза, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Геотехника и дорожное строительство» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства; e-mail: olgahryanina@mail.ru
Глухова Мария Вячеславовна (Пенза, Россия) - ассистент кафедры «Геотехника и дорожное строительство» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства; e-mail: info@novotech.ru
About the authors
Glukhov Vyacheslav Sergeevich (Penza, Russian Federation) - PhD in Technical Sciences, Professor, Head of Department «Geotechnics and road construction» of Penza State University of Architecture and Building; e-mail: info@novotech.ru
Hryanina Olga Victorovna (Penza, Russian Federation) - Ph.D in Technical Sciences, Assistant Professor of the Department «Geotechnics and road construction» of Penza State University of Architecture and Building; e-mail: olgahryanina@mail.ru
Glukhova Mariya Vyacheslavovna (Penza, Russian Federation) -Assistant Lecturer of the Department «Geotechnics and road construction» of Penza State University of Architecture and Building; e-mail: glukhova.mary@mail.ru
Получено 11.04.2014
