CC BY
28Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.159.5
А.И. ПОЛИЩУК1, д-р техн. наук (ofpai@mail.ru); Д.Г. САМАРИН2, канд. техн. наук, А.А. ФИЛИППОВИЧ2, канд. техн. наук
1 Кубанский государственный аграрный университет (350044, Россия, г. Краснодар, ул. Калинина, 13) 2 Томский государственный архитектурно-строительный университет (634003, г. Томск, Соляная пл., 2)
Усиление ленточных фундаментов инъекционными сваями в условиях реконструкции зданий
Приводятся результаты исследований о перераспределении нагрузки в системе «ленточный фундамент - инъекционные сваи» в зависимости от ее геометрических параметров (ширины подошвы фундамента, длины свай и др.). Моделирование выполнялось в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation. Получены уравнения, которые позволяют определить доли нагрузок, передаваемых на грунт основания ленточным фундаментом мелкого заложения и инъекционными сваями при их совместной работе. Предлагаемый метод оценки совместной работы ленточных фундаментов и инъекционных свай в глинистых грунтах повышает надежность технических решений усиления фундаментов реконструируемых зданий.
Ключевые слова: ленточный фундамент мелкого заложения; инъекционная свая, перераспределение нагрузок, усиление фундаментов, реконструкция зданий.
A.I. POLISHCHUK1, Doctor of Sciences (Engineering) (ofpai@mail.ru), D.G. SAMARIN2, Candidate of Sciences (Engineering),
A.A. FILIPPOVICH2, Candidate of Sciences (Engineering) 1 Kuban State Agrarian University (13, Kalinina Street, 350044, Krasnodar, Russian Federation) 2 Tomsk State University of Architecture and Building (2, Solyanaya Square, 634003 Tomsk, Russian Federation)
Strengthening of Strip Foundations by Injection Piles in Terms of Reconstruction of Buildings
Results of the study of load redistribution in the system «strip foundation - injection piles» depending on its geometrical parameters (foundation base width, pile length etc.) are presented. The simulation was executed in the program PLAXIS 3D Foundation. Equations, which make it possible to calculate load proportions transmitted to the base ground by the strip shallow foundation and injection piles, when they operate together, have been obtained. The proposed method of assessment of joint operation of strip foundations and injection piles in clay soils increases the reliability of technical solutions aimed at strengthening of reconstructed buildings foundations.
Keywords: strip foundation, injection pile, redistributions of loads, strengthening of foundations, reconstruction of buildings.
Постоянный рост объемов реконструкции зданий, сооружений вызывает необходимость решения вопросов усиления фундаментов и совершенствования методов их расчета. В последние годы широкое распространение получил способ усиления фундаментов мелкого заложения при помощи примыкающих инъекционных свай. Такие сваи можно устраивать в непосредственной близости от существующих фундаментов, практически не нарушая условий их работы в грунте. Однако до настоящего времени вопросы
оценки совместной работы ленточных фундаментов и инъекционных свай, перераспределения нагрузок между ними в глинистых грунтах и другие исследованы пока недостаточно [1-3].
Поставленная задача решалась моделированием системы в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation, которая предусматривала совместную работу ленточного фундамента мелкого заложения и инъекционных свай в однородном глинистом грунте с последующей математиче-
Рис. 1. Конечно-элементные расчетные схемы для моделирования системы «фундамент — инъекционные сваи» для ленточного фундамента мелкого заложения до (а) и после (б) его усиления: 1 — основание из глинистого грунта; 2 — ленточный фундамент мелкого заложения; 3 — примыкающие инъекционные сваи; 4 — железобетонная (металлическая) балка
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
Значения параметров аппроксимации
Параметры b = 0,6 м b = 0,9 м
da = 0,1 м da = 0,2 м da = 0,3 м dee = 0,1 м dee = 0,2 м de e = 0,3 м
а, 46,146 22,651 31,773 9,335 21,55 33,212
Й2 -150,691 -187,55 -184,894 98,178 -131,504 -250,854
аз -0,311 0,143 -0,112 0,048 -0,048 -0,094
а4 2,431 1,878 1,812 2,786 2,504 2,574
а5 146,965 323,4 334,15 -446,194 228,531 471,615
аб 1,541-10-3 -1,21 ■ 10-3 2,77-10-6 5,626-10-5 7,801-10-5 -3,023-10-4
б, % 3,4 3,3 3,9 5,2 3,4 2,2
b = 1,2 м b = 1,5 м
dee = 0,1 м dee = 0,2 м dee = 0,3 м dee = 0,1 м dee = 0,2 м de e = 0,3 м
а, 6,856 19,528 33,106 -18,67 2,879 24,373
а-- 185,345 -125,114 -224,853 427,456 138,054 -63,452
аз 0,025 -0,01 -0,095 0,222 5,235-10-3 -0,095
а4 2,803 2,7 2,471 2,281 2,39 2,38
а5 -635,655 132,161 409,368 -1,209-103 -438,328 33,467
аб 3,55-10-4 3,378-10-5 -5,348-10-6 1,204-10-4 2,052-10-4 8,272-10-5
б, % 5,4 4,5 2,5 7,4 4,8 6,7
b = 1,8 м b = 2,1 м
dee = 0,1 м da = 0,2 м dee = 0,3 м dee = 0,1 м dee = 0,2 м de e = 0,3 м
а, -65,675 -17,178 11,748 -65,089 -6,962 -7,236
а-2 635,382 138,809 -72,113 767,672 223,097 247,224
аз 0,676 0,263 0,1 0,636 0,11 0,02
а4 1,889 2,531 2,226 1,756 2,469 2,21
а5 -1,548-103 -441,69 86,638 -1,897-103 -646,818 -661,423
аб -8,716-10-4 -4,066-10-4 -3,88-10-4 -6,202-10-4 1,289-10-4 7,018-10-5
б, % 7,1 4,7 4,7 6 3,2 5,5
Примечание. Диапазон изменения длины свай 3 м<1св<12 м; б - относительная среднеквадратичная погрешность аппроксимации, %.
Рис. 2. Схемы к определению нагрузки, передаваемой на грунт примыкающими инъекционными сваями (Dcв, %) и ленточным фундаментом (0лф, %)
ской обработкой полученных результатов [4, 5]. Разработаны конечно-элементные расчетные схемы фундамента мелкого заложения до и после его усиления примыкающими инъекционными сваями (рис. 1).
Для моделирования поведения грунтового массива использовалась упругопластическая модель Мора-Кулона, которая требовала введения пяти основных параметров: модуля деформации грунтов Е, коэффициента Пуассона V, удельного сцепления с, угла внутреннего трения ф и угла дилатансии ф.
Для моделирования работы ленточного фундамента и инъекционных свай применялась линейно-упругая модель со своими жесткостными характеристиками (коэффициент Пуассона железобетона v, удельный вес железобетона y, модуль упругости железобетона Еи, модуль сдвига железобетона G). Включение в работу инъекционных свай производилось путем передачи на них части нагрузки через железобетонные или металлические балки.
Расчет производился в три стадии: 1 - определение деформаций грунта от его собственного веса и их обнуление; 2 - расчет заданной конструкции ленточного фундамента мелкого заложения и инъекционных свай; 3 - приложение нагрузки и выбор необходимых точек для определения в них контактных давлений по подошве фундамента.
Исследования проводились при различных геометрических параметрах ленточного фундамента и инъекционных свай. Ширина фундамента (ЬлФ, м) составляла от 0,6 до 2,1 м (интервал изменения по 0,3 м); длина инъекционных свай (Lcb, м) принималась от 3 до 12 м (увеличение по 3 м), а их диаметр (й?св, м) - 0,1; 0,2; 0,3 м. Внешняя нагрузка на фундамент (Д,бщ, кН/м) изменялась в зависимости от ширины подошвы фундамента и обеспечивала равное давление на основание.
Методика определения доли нагрузки, передаваемой на грунт отдельно инъекционными сваями (Dcb, %) и отдельно фундаментом (D^, %), заключалась в следующем (рис. 2). На этапе моделирования вначале при заданном размере подошвы фундамента в ПК Plaxis 3D Foundation определялось давление рЛ по его подошве в предположении, что усиления фундамента не требуется (pjl<R). Затем определялись давления p2=R, Pa>R и строился график осадки фундамента S=f(p). В целом давление по подошве фундамента изменялось в пределах 100-600 кПа, а вопрос его усиления рассматривался при давлении р.3, превышающем на 5-10% расчетное сопротивление грунта основания R(p.3>R). Разница Др=ра—ра принималась за долю, которая приходилась на инъекционные сваи. Давление Др (кПа) переводилось в усилие (кН) и распределялось по сваям Ncb (кН) в зависимости от их количества (рис. 2).
Выполненные исследования в ПК PLAXIS 3D Foundation совместной работы элементов системы «ленточный фундамент - инъекционные сваи» при ее нагружении позволили установить характер перераспределения нагрузки между ленточным фундаментом и инъекционными сваями в зависимости от их геометрических параметров (рис. 3). На про-
Л2лф
У//// -V
// 'X у /-/> V
V л /// '/ //
¡шж у />
/ Pyc<R
/< // //
// kJ
NCB
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
цесс перераспределения оказывает влияние длина свай и ширина подошвы ленточного фундамента. Так, например, для фундамента с шириной подошвы Ьлф=0,6 м доля нагрузки, передаваемой на грунт инъекционными сваями при их длине Д,в=3 м (диаметр 0,2 м), составляет 38%, а при длине свай Д,в=9 м составляет 73%. Если же рассматривается ленточный фундамент с шириной подошвы Ьлф=2,1 м, то доля нагрузки, передаваемой на грунт инъекционными сваями при их длине Д,в=3 м (диаметр 0,2 м) составляет 8%, а при длине Д,в=9 м составляет 54%.
На основании результатов исследований были получены уравнения, которые позволяют оценивать доли нагрузок, передаваемые на грунт элементами комбинированного фундамента, в зависимости от их геометрических параметров (ширины подошвы ленточного фундамента, длины и диаметра свай) [6-9]:
12
СВ СБ св
(1)
где рус - давление по подошве ленточного фундамента мелкого заложения после его усиления, кПа; а1, а2, а3 ... а6 - значения параметров аппроксимации, которые получены предварительными вычислениями и приведены в таблице; рлф - давление по подошве ленточного фундамента мелкого заложения до его усиления, кПа; Lсв - длина инъекционной сваи, м.
Уравнению (1) соответствует параболическая функция второго порядка, при помощи которого установлена зависимость между давлением по подошве ленточного фундамента рлф (кПа) и длиной инъекционных свай Ьсв (м). Значения ширины фундамента Ьлф (м) и диаметра инъекционных свай dсв (м) учитывали при определении параметров аппроксимации уравнения (1) для каждого случая.
Доля нагрузки Блф (%), передаваемая на грунт подошвой ленточного фундамента (мелкого заложения), определяется выражением:
Блф = (рус
(2)
^лф (рус 100%)/рлф.
Доля нагрузки Бсв (%), передаваемая на грунт инъекционными сваями, будет равна:
Б = 100% - Б
лф
(3)
где рус, рлф - то же, что и в формуле (1).
При определении давления по подошве ленточного фундамента учитывалась погонная нагрузка, измеряемая в кН/м. Усилие (кН), приходящееся на одну инъекционную сваю (участок фундамента длиной 1 м), составит:
N = 0,01 • (Ш„
св ' 4 об
• Б )/2,
св
(4)
Dсв, %
Рис. 3. Характерные зависимости доли нагрузки, приходящейся на инъекционные сваи, при различной ширине подошвы фундаментов (диаметр сваи (св=0,2 м): Хсв — длина сваи, м; Бсв — доля нагрузки, передаваемой на грунт инъекционными сваями, %; Ьлф — ширина фундамента мелкого заложения
Пример. Требуется оценить загружение ленточного фундамента и в случае необходимости выполнить расчет его усиления инъекционными сваями. Ширина подошвы фундамента Ьлф=1,2 м; глубина заложения (1=2 м; вертикальная суммарная нагрузка, действующая в уровне подошвы фундамента, составляет Е#6щ=300 кН/м; расчетное сопротивление грунта основания ^=180 кПа. Расчетная схема представлена на рис. 4.
Решение. Давление р по подошве существующего фундамента до его усиления составляет:
р = ШоЩ/Л = 300/1,2 • 1 = 250 кПа > R = 180 кПа.
Давление р по подошве превышает R на 28%, следовательно, требуется усиление фундамента. Принимаем решение по его усилению примыкающими инъекционными сваями. Предлагается на 1 п. м. фундамента устроить по две сваи длиной по Д,в=3 м и (св=0,3 м. При заданных параме-
0,000
где 'ZNa6щ - суммарная нагрузка, действующая на рассматриваемый фундамент в уровне его подошвы, кН/м.
Таким образом, уравнения (1-3) позволяют определить доли нагрузок, передаваемых на грунт основания ленточным фундаментом и инъекционными сваями при их совместной работе.
рус=158,32 кПа
Рис. 4. Расчетные схемы перераспределения нагрузок в системе «ленточный фундамент — инъекционные сваи» (крассматриваемому примеру): а — ленточный фундамент мелкого заложения; б — то же, после его усиления; 1 — фундамент; 2 — примыкающие инъекционные сваи; 3 — железобетонные балки
L
0
3
6
9
м
св
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
трах свай давление pye по подошве фундамента после его усиления определяем при помощи уравнения (1):
а2 р а 5?
Рус=а\+-Г + аъР + а4-г+-Л + абР =
ъсв ъсв се
= 221,76 кПа > R = 180 кПа.
Условие pye<R не выполняется, следовательно, требуется увеличение длины свай. Принимаем сваи длиной Lcb=4 м, диаметром deE=0,3 м и расчет повторяем:
а2 р а 52
РУс=а1+х +a3P + a4j-+~[J + a6P =
= 158,32 кПа<Д= 180 кПа.
Условие pye<R выполняется, запас до 12%.
Из уравнения (2) доля нагрузки D^, передаваемая на грунт подошвой ленточного фундамента, составит:
D^ = (Рус ■ 100%)/р = (158,322 ■ 100%)/250 = 63,3%.
По уравнению (3) доля нагрузки Dcb, передаваемая на грунт инъекционными сваями, составит:
DCB = (100% - DJ = 36,7%,
а усилие (уравнение (4)), действующее в каждой инъекционной свае, составит:
= 0,01 • (Ш • Дв)/2 = 0,01 • (300 • 36,7)/2 = 55,1 кН.
Таким образом, расчетом установлены доли нагрузок, передаваемых на грунт основания подошвой ленточного фундамента и инъекционными сваями, используемыми для его усиления.
Выводы.
1. Выявлено, что при усилении ленточных фундаментов примыкающими инъекционными сваями в глинистых грунтах происходит перераспределение внешней нагрузки между его элементами. Так, для ленточного фундамента с шириной подошвы 0,6 м при увеличении длины свай от 3 до 9 м (диаметр 0,2 м) доля нагрузки, передаваемая на грунт сваями, возрастает от 38 до 73%.
2. На основании результатов моделирования работы системы «ленточный фундамент - инъекционные сваи» для реконструируемых зданий получены уравнения, которые позволяют определять доли нагрузок, передаваемых на грунт основания ленточным фундаментом и инъекционными сваями при их совместной работе.
Список литературы
References
1. Полищук А.И., Петухов А.А. Усиление фундаментов реконструируемых зданий в г. Томске с использованием инъекционных свай. Межвузовский тематический сборник трудов «Научно-практические и теоретические проблемы Геотехники». СПб: СПбГАСУ. 2007. С. 162-171.
2. Сернов В.А. Эффективные конструкции свайных фундаментов с несущими ростверками. Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: сб. науч. тр. XVI Международного научно-методического семинара. Брест, 2009. Ч. II. С. 174-178.
3. Парамонов В.Н., Кравченко П.А. Эффект увеличения несущей способности свай усиления под нагрузкой. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 7-8. С. 117-121.
4. Полищук А.И., Самарин Д. Г., Филиппович А.А. Результаты моделирования процессов взаимодействия фундаментов с глинистым грунтом основания // Вестник ТГАСУ. Томск. 2013. № 1 (38). С. 253-259.
5. Полищук А.И., Самарин Д.Г., Осипов С.П., Филиппович А.А. Исследование совместной работы ленточного фундамента и инъекционных свай, используемых для его усиления в глинистом грунте // Вестник ТГАСУ. Томск. 2014. № 3 (44). С. 177-190.
6. Воскобойников Ю.Е. Регрессионный анализ данных в пакете Mathcad. СПб: Лань, 2011. 224 с.
7. Панюкова Т.А. Численные методы. М.: Либроком, 2010. 226 с.
8. Кирьянов, Д.В. Mathcad 14. СПб: БВХ-Петербург, 2007. 704 с.
9. Поршнев С. В., Беленкова С. В. Численные методы на базе Mathcad. СПб: БВХ-Петербург, 2012. 465 с.
1. Polishchuk A.I., Petuhov A.A. Strengthening of the bases of the reconstructed buildings in Tomsk with use of injection piles. Interuniversity thematic collection of the works «Scientific and Practical and Theoretical Problems of Geotechnics». St. Petersburg. 2007., pp. 162-171. (In Russian).
2. Sernov V.A. Effective designs of the pile bases with the bearing grillages. Prospects of development of new technologies in construction and preparation of engineering shots of Republic of Belarus: collection of scientific works of the XVI International scientific and methodical seminar. Brest. 2009. Vol. 2, pp. 147-178. (In Russian).
3. Paramonov V.N., Kravchenko P.A. Effect of increase in the bearing ability of piles of strengthening under loading. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitrl'stvo. 2012. No. 7-8., pp. 117-121. (In Russian).
4. Polishchuk A.I., Samarin D.G., Filippovich A.A. Results of modeling processes of interaction of foundations with clay soil. Vestnik TGASU. 2013, No. 1 (38), pp. 253-259. (In Russian).
5. Polishchuk A.I., Samarin D.G., Osipov S.P., Filippovich A.A. The research of joint behavior of sallow foundation with strengthening injection piles in clay soil. Vestnik TGASU. 2014. No. 3 (44), pp. 177-190. (In Russian).
6. Voskoboynikov Yu.E. Regressionnyy analiz dannykh v pakete Mathcad. [The regression analysis of data in Mathcad]. Sankt-Peterburg: Lan', 2011. 224 p. (In Russian).
7. Panyukova T.A. Chislennye metody [The numerical method]. Moscow: Librokom. 2010. 226 p. (In Russian).
8. Kir'yanov D.V. Mathcad 14 [Mathcad 14]. Sankt-Peterburg: BVKH-Peterburg. 2007. 704 p. (In Russian).
9. Porshnev S.V., Belenkova I.V. Chislennye metody na baze Mathcad [The numerical method on base in Mathcad ]. Sankt-Peterburg: BVKh-Peterburg. 2012. 465 p. (In Russian).
