CC BY
13Технология возведения фундаментов - «свая в трубе»
К.т.н., доцент Г.Я. Булатов, инженер А.Ю. Костюкова
Проблема рационального проектирования фундаментов является одной из актуальных в области фундаментостроения. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерногеологических условиях, в которых наиболее целесообразным является применение свайных фундаментов. Доля затрат на возведение подземной части зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет до 20%.
Развитие фундаментостроения направлено по пути разработки новых, экономичных и надежных конструкций фундаментов и методов их устройства, обеспечивающих повышение несущей способности грунтов в основаниях, более полного использования несущей способности материала фундаментов.
В последние годы широко возводились причальные сооружения на металлических сваях-оболочках, так как они имеют много достоинств. Стальные сваи лучше выдерживают динамические нагрузки и воспринимают большие изгибающие моменты по сравнению с железобетонными сваями. Применение открытых снизу стальных трубчатых свай способствует сокращению объемов и сроков производства строительных работ, расходов рабочей силы и материала свай за счет более рациональной работы поперечного сечения ствола под расчетной нагрузкой.
Основным недостатком металлических свай-оболочек является их коррозия. Железобетонные сваи экономичны, но их несущая способность невысока.
Технической задачей технологии было желание объединить преимущества того и другого вида свай. Один из вариантов такого объединения рассмотрен ниже.
В данной технологии погружают в грунт стальную трубчатую сваю с открытым нижним концом и возводят ростверк. После погружения трубчатой сваи в образовавшееся внутри её полости грунтовое ядро вводят продольные перегородки, а в грунтовые ячейки между перегородками и стенками сваи вводят дополнительные объемы материалов и подают дополнительную энергию, преимущественно в нижнюю часть ядра. Таким образом упрочняют грунтовое ядро, создают дополнительные радиальные сжимающие напряжения в грунте ядра, обеспечивают дополнительные трение и сцепление его со стенками сваи и превращают её в квазимонолитный фундамент глубокого заложения.
Сущность предложения поясняется чертежами. Устройство на рис. 1 и 2 содержит ростверк 1 на бетонной подготовке толщиной Б0, опирающийся на трубчатую сваю 2 и грунтовое ядро 3, в которое погружены дополнительные внутренние сваи: например, свая 4 с продольными лопастями 5 и монолитные сваи 6 и 7. На рис. 3, 4 дополнительная свая 8 снабжена утолщением в виде нескольких соединенных с ней патрубков 9, которые одновременно служат и направляющими.
В качестве дополнительных внутренних свай 4, 6, 7 и 8 могут быть применены сваи любого рода и конфигурации.
Рис. 1 - 4. Технология возведения фундаментов - «свая в трубе»
В качестве материалов могут быть использованы твердые (все типы свай и др. устройства), сыпучие (грунтовые, бетонные, порошковые и др.), жидкие (расширяющиеся цементные растворы и др. закрепляющие составы), газообразные (воздух, закрепляющие смеси), причем текучие материалы могут быть применены в оболочках.
В качестве энергии можно использовать тепловую и электрическую для обжига, плавления, замораживания и электрохимического закрепления грунтов ядра в полости трубчатой сваи, чем обеспечивают упрочнение и сцепление ядра со стенками сваи и исключают возможность проталкивания ядра вверх при осадке сваи под воздействием сжимающих нагрузок, передаваемых от ростверка.
Рассмотрим работу предлагаемого способа, используя рис. 1 и 2.
При погружении трубчатой сваи 2 в её полость входит грунт в виде ядра 3 цилиндрической формы, поскольку свая легко прорезает толщу грунта основания своими тонкими стенками. При этом несущая способность её по грунту будет малой. Для повышения эффективности трубчатой сваи 2 в грунтовое ядро 3 погружают вторую трубчатую сваю 4, усиленную лопастями 5, и тем самым упрочняют грунтовое ядро. Трение грунта в узких ячейках между трубами 2 и 4 тормозит его проталкивание вверх и повышает несущую способность устройства.
Дополнительно грунтовое ядро внутри трубы 4 закрепляют погружением дополнительной сваи второго порядка, например монолитной сваи 6 (рис. 1 и 2). Для закрепления ядра в ячейках между трубчатой сваей 2 и трубчатой сваей 4 с лопастями 5 в ячейки погружают дополнительные сваи третьего порядка, например, монолитные сваи 7. И в этом случае трубчатая свая 2 будет работать как монолитный фундамент глубокого заложения, поскольку весь грунт ядра будет заклинен в узком зазоре между трубами 2 и 4 и напряжен сжатием в радиальном направлении, при введении сваи 6 в грунтовое ядро трубы 4.
Устройство на рис. 3 и 4 работает следующим образом. Дополнительная свая 8 и её трубчатое утолщение в виде патрубков 9 выполняют роль перегородок и расчленяют грунтовое ядро 3 в поперечном сечении на отдельные ячейки, грунт в которых «самозапирается» за счет сил трения и сцепления со стенками патрубков 9 и тем препятствует его проталкиванию вверх. Для повышения эффекта «самозапирания» грунта патрубки могут быть выполнены изогнутыми по винтовой линии. В этом случае утолщение играет роль плиты, перекрывающей поперечное сечение грунтового ядра 3 и тем самым омоноличивающей его с трубчатой сваей 2.
Вариантом устройства перегородок может быть их выполнение в виде шпунтовых стенок.
Расчет площади сечения дополнительной сваи
Дополнительная свая предназначена для получения дополнительной несущей способности по сравнению с обычной трубчатой сваей (если не произошло «самозапирание» ядра).
Sy-Sx +Sy +Sz - • (1)
Расчет площади сечения дополнительной сваи проводился по методу линейно деформируемого слоя конечной толщины [1].
Как известно [10], относительная объемная деформация
АУ V
В условиях невозможности бокового расширения грунта (одноосная деформация)
(е, - е2) , , ёе
є„ = є7 = —-----— или ає„ = ає7 =----------------------------------, (2)
V -і V -і ' ' '
1 + е, 1 + е,
где е1 и е2 - коэффициенты пористости до и после снятия нагрузки.
С другой стороны, коэффициент уплотнения (сжимаемости) для спрямленного участка компрессионной кривой
а = <-Ц или а = М±еь1 „ри в = <^1+^ = 1 _ и м = ^, (3)
о"-а[ Е 1+ Є 1 -ц 1+ Є
где а2 - соответствующие пористостям напряжения в грунте по кривой компрессии;
р0 - коэффициент влияния бокового давления (0,74 - супеси; 0,62 - суглинки; 0,4 - глины) [5];
Е - модуль деформации [5];
^ - коэффициент бокового давления грунта (для 0,35...0,75 - от рыхлого песчаного к плотному влажному глинистому) [5];
^ - коэффициент Пуассона (поперечного расширения грунта) (0,3.0,42 - от супеси к глине) [5].
Из (2) с учетом (3) имеем
* = аили а" = а' + *Л±е1. №
2 Л 2 2 ' ' 1 + е1 а
Эти уравнения позволяют решать многие практические задачи.
Из (1) имеем уменьшение объема грунта
АУ = V - У2 = У1£2 и У2 = V (1 - * ) (5) и (5а)
Для случая технологии «свая в трубе» уменьшение объема грунта однозначно описывается уменьшением площади сечения грунтового ядра (при погружении в него дополнительной сваи)
АА = А1 — А2 = А1* и А2 = Д(1 — б7). (6) и (6 а)
где ДА - площадь сечения дополнительной сваи (рис. 5)
А1 и А2 - площади сечения грунта ядра соответственно до и после погружения дополнительной сваи в полость трубы.
После применения подстановки
Рис. 5. Продольное сечение трубосваи
є — 2єх и а — а,
(7)
приведенные ниже зависимости позволяют получать приближенное значение сечения ДА дополнительной сваи при заданном значении нормального давления ах грунта ядра на стенку трубы, а также решать и обратную задачу.
* , „л 0,5АА
АЛ — 2Ає или є —----------------•
1 х х А1
и єх —
0,5а(аХ -а/хАа — а// а/ — 2єх(і + ei)
1 + ©і
или Аах — ах/ - а'х —
а
Атг =Аах ■ дф0 .
Ат г = АА,
где А - сопротивление на боковой поверхности сваи.
(8)
(9)
(10)
(11)
В таблице 1 сведены значения нормального давления Аах грунта ядра на стенку трубы и по ним построен график зависимости (рис. 6).
Таблица 1. Значения нормального давления Аах грунта ядра на стенку трубы в зависимости от площади сечения дополнительной сваи
№ п/п в 0 а, см2/кгс Д A, см2 £х Лах, кгс/см2 Aiz, кгс/см
1 0,77 0,010 100 0,004 1,50 0,49
2 0,77 0,010 200 0,009 3,00 0,97
3 0,77 0,010 300 0,013 4,50 1,46
4 0,77 0,010 500 0,022 7,50 2,44
5 0,77 0,010 1000 0,045 15,01 4,87
Рис. 6. График зависимости значений давления Аах в зависимости от площади сечения
дополнительной сваи
Отметим следующие преимущества предлагаемых технических решений:
— они сочетают в себе положительные свойства двух типов свай (стальные трубчатые и железобетонные монолитные) и уменьшают их отрицательные свойства за счёт того, что трубчатая свая будет работать как фундамент глубокого заложения с площадью опирания на грунт, равной площади сечения “брутто” трубчатой сваи. Несущая же способность такого фундамента по материалу будет складываться из несущей способности стали и железобетона;
— они позволяют создать фундамент с высокой несущей способностью с помощью обычных строительных средств;
— погружение внутренних дополнительных свай позволяет управлять степенью упрочнения грунтового ядра в процессе возведения трубчатых свай путем изменения числа дополнительных свай, их диаметра и глубины погружения;
— способ относится к щадящим окружающую среду технологиям, поскольку предусматривается лишь погружение тонкостенных (режущих) трубчатых свай. Погружение элементов сваи производится поэтапно, а влияние динамики погружения внутренних дополнительных свай при этом локализуется грунтовым ядром внутри трубчатой сваи. При этом внутренние сваи имеют и относительно меньшие параметры, и, соответственно, меньшую динамику их погружения.
Список литературы
1. Бугров А.К. Механика грунтов: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007.
2. Гожа В. И., Наймарк О. С. Глубоководный причал комбинированной конструкции из стальных элементов. — СПб: «Судостроение», 2005 г.
3. Долинский А. А., Зайончковский В. И., Николаевский М. Ю., Рябинин А. В. Нетрадиционные конструкции фундаментов портовых складов, возведенных на слабых илистых грунтах прибрежно-морских отложений. / Сб. научн. тр. под ред. И. И. Сулейманова. К 120-летию ОАО «Ленморниипроект». — СПб.: «Судостроение», 2005 г., с. 324-330.
4. Иванов П.А. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 1991. - 447 с.
5. Крамаренко А. В. Особенности работы свай кольцевого сечения в процессе их осевого статического нагружения. Сб. научн. тр. ОАО «Ленморниипроект». СПб., 2000 г., с 114-122.
6. СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».
7. СНиП 2.02.03.-85 «Свайные фундаменты».
8. СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов».
9. Справочник проектировщика промышленных и гражданских зданий и сооружений: расчётно-
теоретический/Под редакцией А.А. Уманского. - М.: Госстройиздат, 1960. 1040 с.
10. ТСН 50-302-96 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге».
