CC BY
16
V.N. SHESTAKOV, N.N. SCHETININA
OPTIMIZATION OF CONSTRUCTIVE-TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE STRENGTHENED SOIL CUSHIONS FOR THE CULVERT FOUNDATION UNDER THE ROAD EMBANKMENT
The decision of the problem of nonlinear programming of constructive-technological parameters of the multilayered reinforced soil cushion at its permissible limiting states and minimum cost has been carried out.
УДК 624.131.54:624.04236
С. И. АЛЕКСЕЕВ, докт. техн. наук, профессор, Р.В. МИРОШНИЧЕНКО, аспирант, romamicrofon@yandex.ru ПГУПС, Санкт-Петербург
ВЛИЯНИЕ ВЫШТАМПОВАННЫХ МИКРОСВАЙ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
В статье приведены основные результаты теоретического обоснования увеличения несущей способности оснований, усиленных выштампованными микросваями. Проанализированы результаты выполненных лотковых испытаний модели фундамента как на естественном основании, так и на основании, усиленном микросваями. Проведено сравнение теоретических расчётов с модельными испытаниями. Сформулированы выводы о сходстве теоретических расчётов и практических исследований.
1. Теоретическое обоснование увеличения несущей способности усиленного основания
Практически любая реконструкция зданий Санкт-Петербурга, имеющих историю своего существования в 100-200 лет и более, неизбежно связана с решением ряда вопросов по надежности существующих фундаментов и их оснований.
В последнее время на многих реконструируемых объектах Санкт-Петербурга в качестве конструктивного элемента увеличения несущей способности основания существующих фундаментов стали применять выштампован-ные микросваи. Такие микросваи (длиной до 2-2,5 м) являются конструктивным элементом усиления основания, представленного позднеледниковыми и послеледниковыми озерными и морскими отложениями (пылеватые пески, супеси, суглинки), имеющими довольно низкие несущие свойства и высокую водонасыщенность.
Методика выполнения данных свай [1] заключается в следующем:
© С.И. Алексеев, Р.В. Мирошниченко, 2009
1. Из подвала реконструируемого здания вдоль его несущих стен пнев-мопробойником в основании пробиваются вертикальные или наклонные скважины диаметром 130-155 мм.
2. Многократная проходка (до 10 раз) таких скважин пробойником сопровождается подачей и вбиванием сухой бетонной смеси.
3. В образовавшуюся полость подаётся жёсткая бетонная смесь и производится армирование.
4. В результате в основании создаётся свая диаметром 200-250 мм и длиной до 2-2,5 м [4].
Ставится задача определения степени закрепления основания, усиленного микросваями. С этой целью изобразим схему зон предельного состояния основания для ленточного фундамента (левая часть рис. 1).
Рис. 1. Расчётная схема формирования предельного состояния от полосовой нагрузки для основания, усиленного выштампованными микросваями, до начала поворота относительно т. О:
I - зона переуплотнённого грунта в виде клина; II - зона развития пластических деформаций (сдвигов в условиях предельного состояния); III - зона с непрерывными поверхностями скольжения (формирование выпора)
Для ленточного фундамента предельная нагрузка на основание может быть определена выражением
N =ь'.Г(м1.^.ь'.у1 + нч-а ^ + мс(1)
где все обозначения приняты в соответствии со СНиП [3].
В правой части рис. 1 изображена расчётная схема (по Л. Прандтлю) от полосовой нагрузки для основания, в которое в качестве усиления добавлена выштампованная микросвая.
Выполненные микросваи с целью усиления (увеличения силы предельного сопротивления) основания вдоль существующих фундаментов пересекают зону II (см. рис. 1) и таким образом, прежде всего, создают препятствие для развития горизонтальных деформаций (зон сдвигов). В результате на часть длины микросваи будет действовать горизонтальный распор, создавая усилие в виде активного давления грунта £акт.св. Величина данного распора переменна в зависимости от условий загружения фундамента и достигает
максимального значения в момент нарушения равновесия жёсткой сваи (поворот относительно т. О).
Противодействовать силе активного давления грунта будет пассивный отпор Епас.1св, развитие которого может быть в первом приближении определено двумя этапами. Первый этап работы продолжается до возникновения перемещений микросваи относительно т. О (до момента предельного равновесия Еакт.св = Епас.1св). На данном этапе пассивный отпор развивается по всей длине l микросваи (см. рис. 1).
Для определения Епас1св вычислим пассивное давление ст2пас в грунте, действующее на сваю из условия предельного состояния:
= Y у, • l • tg2|45°+^|.
Тогда пассивный отпор может быть определён выражением
Е , = —ст. • l • F,
пас.1св 2 2пас '
(2)
(3)
где ууп - удельный вес грунта вокруг сваи, с учётом его уплотнения в процессе изготовления микросваи, принято, что ууп = 1,11 у [4]; I - длина микросваи; ф -угол внутреннего трения грунта основания; F = п- гсв - площадь половины периметра микросваи, по которой возникает пассивный отпор; гсв - радиус изготовленной микросваи.
Подставляя введённые обозначения в выражение (3), получим выражение
1
• l • F = IY у, • l • tg21 45°
Ф
l • п • г =
= 2 Y у, • l2 • tg21 45° + ^ гсв.
(4)
Пассивный отпор Епас1св в соответствии с геометрическими построениями (рис. 2) может быть представлен двумя составляющими: 1 - нормальным давлением на ствол микросваи: Епас.1св • cosa; 2 - трением грунта вдоль ствола микросваи: Епас 1св • sina, где a - угол наклона микросваи к вертикали.
пас.1св
Рис. 2. Геометрическое разложение пассивного отпора на две составляющие
Определив величину пассивного отпора для микросваи в момент её предельного равновесия (возникновение поворота относительно т. О), возможно вычислить дополнительную составляющую для силы предельного сопротивления, усиливаемого микросваями основания:
Nu^ = n ■ Епас.1св (eos а + sin а), (5)
где n - количество микросвай усиления на единицу расчётной длины фундамента.
Тогда для основания, усиленного микросваями, сила предельного сопротивления (из условия равновесия свай) составит
Nu(ус1) = Nu + ^1св = Nu + n ■ Епас.1св (eos а + sin а), (6)
где Nu - сила предельного сопротивления основания, без учёта свай, определяемая выражением (1); Nu1e - сила предельного сопротивления основания с учётом работы микросвай (предельное состояние микросвай относительно т. О).
Таким образом, задавшись предварительно размерами микросваи (радиусом и длиной, по технологическим особенностям изготовления), можно найти необходимое число микросвай усиления n, в зависимости от требуемой (задаваемой) величины силы предельного сопротивления усиленного основания Nu(y0l) (из условия равновесия свай):
N - N
n =-7Уи(ус1) N-. (7)
Епас.1св (e0s а+ sin а)
Второй этап работы усиленного основания возникает после начала деформации микросваи относительно т. О (момент нарушения устойчивости). В этот момент предполагается, что поверхности скольжения грунта (в направлениях от фундамента) начинают плавное обтекание вокруг микросвай. В результате происходит резкое уменьшение развития площади влияния сопротивления пассивного отпора на максимальную глубину развития зон пластических деформаций (по расчётам, сделанным для разных диаметров микросвай, площадь развития пассивного отпора уменьшается более чем в 12 раз) [5].
Как известно, максимальная глубина развития зон пластических деформаций при полосовой нагрузке, согласно исследованиям Н.Н. Маслова [2], может быть определена выражением
Z™ = *■ 1g9, (8)
где b - ширина подошвы полосовой нагрузки.
Исходя из перечисленных условий, до глубины Zmax пассивным отпором в первом приближении можно пренебречь (значительное снижение сопротивления грунта). Тогда пассивный отпор Епас.2св будет возникать на части сваи h, расположенной ниже поверхностей скольжения (рис. 3).
Для определения Епас.2св вычислим пассивное давление с2пас. в грунте, действующее на сваю из условия предельного состояния:
°2пас = Yуп ■h ■ tg2 í45°+. (9)
Екг.св - активное давление грунта на сваю от горизонтального распора
Епас.2св - пассивный отпор грунта на сваю
при возможном ее повороте относительно т. О
O
Рис. 3. Расчётная схема формирования предельного состояния от полосовой нагрузки для основания, усиленного выштампованными микросваями, после начала поворота относительно т. О:
I - зона переуплотнённого грунта в виде клина; II - зона развития пластических деформаций (сдвигов в условиях предельного состояния); III - зона с непрерывными поверхностями скольжения (формирование выпора)
Тогда пассивный отпор может быть определён выражением
Епас.2св = 2 °2пас ' Н ' Р , (10)
где Н = I - Ь • tgф - отрезок сваи, расположенный ниже поверхностей скольжения (см. ранее).
Преобразуя выражение (10), получим:
Е . =1 с (I - Ь • tgф)л• г =
пас.2св ^ пас V ""О т/ св
2
= 1Y уп • h • tg2 Í 45° + | rCB (l - b • tgq>) =
= 2(l - b • tg9)tg21 45° +-2 |n • гСв •Y ул (l - b • tgq>) =
(11)
= -tg2|45° + ^|n гСв •Y ул (l - b • tg9)2.
2tg2 (45°+f;
Таким образом, как только возникнет условие Еакт.св > Епаслсв, микросвая получит смещение (поворот и перемещение вдоль ствола), следовательно, противодействовать Еакт.св будет пассивный отпор Епас2св, формула (12).
В результате представляется возможным вычислить дополнительную составляющую для силы предельного сопротивления усиленного микросваями основания (Ли2св) на втором этапе работы (см. ранее):
Nu2св = n • Епас.2св (cOS а + SÍn а). ( 12)
Тогда для основания, усиленного микросваями, сила предельного сопротивления (с учётом перемещения микросваи) по аналогии с выражением (6)составит:
'пас.2св
а)
(13)
Как показывает расчётный анализ, значение силы предельного сопротивления основания Д,(ус2) на основании вычислений меньше величины Ыи(ус1у Следовательно, силу предельного состояния основания Ыи(ус2) и соответствующее ему предельное давление следует рассматривать как величину, имеющую только теоретический интерес.
Расчёт необходимого количества микросвай усиления следует осуществлять исходя из величины Ыи(ус1), т. е. до момента нарушения условия равновесия свай, выражение (7).
2. Экспериментальные исследования предельного сопротивления
усиленного основания
Для проведения экспериментальных исследований по определению предельного сопротивления оснований был изготовлен лоток из металлических уголков со стенками из стекла толщиной 8 мм [4]. Стенки лотка были сделаны из стекла для возможности визуального наблюдения за развитием процесса деформации до и после усиления оснований. Также была изготовлена специальная установка для нагружения (рис. 4). Конструкция лотка предусматривала две вертикальные пластиковые трубки с отверстиями, через которые происходило водонасыщение песка. Для наблюдения за деформациями к станине был прикреплён индикатор часового типа с точностью измерений до 0,01 мм.
1
Рис. 4. Общий вид установки:
1 - индикатор часового типа; 2 - пригрузка; 3 - штамп 15x4 см; 4 - стеклянный лоток
Для проведения опытов использовался пылеватый песок, насыщенный водой. Причина выбора для испытаний пылеватого песка заключается в том, что данный грунт чаще всего служит основанием под зданиями на естественных основаниях в Санкт-Петербурге. Для песка был проведен ряд исследований: определены физические свойства песка, проведены консолидированно-дренированные испытания при постоянном всестороннем давлении в камере стабилометра. Песок в лоток укладывался в воздушно-сухом состоянии с послойным уплотнением (3 см). После полной укладки песка происходило его водонасыщение. Водонасыщение осуществлялось постепенно до степени влажности Бг > 0,8.
Используемые штампы имели прямоугольную и квадратную форму. Один из штампов, при помощи которого велось наблюдение за развитиями поверхностей скольжения до и после усиления оснований, имел размер в плане 0,15x0,04 м. Стороны штампа практически вплотную соприкасались со стеклянными стенками лотка. При использовании данного штампа песок в лоток укладывался послойно с горизонтальными прослойками из подкрашенного песка. Для визуального восприятия отклонений горизонтальных линий из подкрашенного песка на передней стенке лотка была выполнена разметка в виде горизонтальных линий через 3 см (рис. 5). Для масштабного восприятия на стенку лотка была прикреплена линейка. Все деформации основания фиксировались цифровой фотокамерой.
Нагрузка на штамп передавалась центрированно, ступенями. Результаты отсчёта по индикатору снимались через 15 мин и заносились в журнал. Ступени нагружения были выбраны по 1 кг, каждая последующая ступень нагру-жения прикладывалась после условной стабилизации деформации штампа. При приближении нагрузки к предельной период стабилизации деформаций возрастал. При достижении предельного давления происходило резкое возрастание деформации.
Исследования несущей способности модели фундамента производились как на естественном основании (рис. 5, 6), так и на основании, усиленном микросваями (рис. 7, 8). Микросваи устанавливались под углами 0, 30, 45° к вертикали. Из приведённых фотоматериалов видно, что в основаниях, не усиленных микросваями, картина деформаций основания проявляется в большей степени, чем в усиленных грунтах. Отмечено, что после выполнения микросвай развитие зон пластических деформаций происходит медленнее по сравнению с неусиленным основанием. Это условие сохраняется до момента потери устойчивости свай (начало поворота относительно т. О).
После проведения серии опытов модельных испытаний со штампом 0,15x0,04 м было принято решение провести исследования со штампом размером в плане 0,04x0,053 м. Выбор такого размера объясняется двумя причинами: полностью исключить влияние стенок лотка на основание; выполнить модель в масштабе 1:15 натурного фундамента, испытанного ранее.
Испытания также проводились для неусиленного основания и основания, усиленного микросваями, с разными углами погружения. На основании проведённых испытаний строились графики (давление - осадка). На рис. 9 приведён график для штампа 0,04x0,053 м без усиления и с усилением микро-
сваями под углом 45° к вертикали. Значения предельных давлений на основание определялись отношением силы предельного сопротивления N к площади штампа
Рис. 5. Лотковые испытания штампа на неуси- Рис. 6. Лотковые испытания штампа на неленном песчаном основании с обозна- усиленном песчаном основании с обо-ченными горизонтальными слоями значенными горизонтальными и вертикальными слоями по углам штампа
Рис. 7. Лотковые испытания штампа на уси- Рис. 8. Лотковые испытания штампа на усиленном песчаном основании (модели ленном песчаном основании (модели микросвай под углом 45° к вертикали) микросвай под углом 30° к вертикали)
Результаты эксперимента и расчёта показали, что расхождение между значениями Ррасч и Роп1 составило порядка 23 %. Все расчётные значения вычислялись на основании геометрического подобия в виде отношения линейных размеров в соответствующих элементах натуры и модели. Предельные давления, полученные с использованием формул (6) и (13) (влияние свай), добавлялись к значению Роп1, определенному на основе эксперимента. В случае отсутствия штамповых испытаний расчётные значения Рт и РЫ2 (влияние свай) следует прибавлять к Ррасч.
Из графика видно, что предельное давление Рт (212 кПа), рассчитанное с использованием формулы (6) (момент предельного равновесия относительно т. О), значительно превышает значения РЫ2 (183 кПа), рассчитанные с учётом потери устойчивости микросваи.
Р, кПа
О 20 40 60 80 100 120 140 1 60 180 200 220 240
О
00' 5.5
6 0,5
7 7,5
8 8,5
9 9,5 10
Рис. 9. Графики штамповых испытаний:
Ррасч - предельное давление для неусиленного основания, полученное с использованием формулы (1); Роп1 - предельное давление, полученное по результатам штампового испытания; Рт - предельное давление, полученное с использованием формулы (6); Рт - предельное давление, с использованием формулы (13); Роп2 - предельное давление, полученное по результатам штампового испытания (усиленное основание)
Поскольку давление Рдг1 при нагружении усиленного микросваями основания возникает раньше по сравнению с Рт, то второй этап работы усиленного основания (см. ранее) будет сопровождаться резким возрастанием осадок (см. пунктир на рис. 9) и потому не применим к расчёту.
Таким образом, количество микросвай, необходимых для усиления оснований, следует определять из условий предельного равновесия Ыи(ус\у
Выводы
1. Применение выштампованных микросвай позволяет повысить предельное давление на основание (несущую способность) до 52 %.
2. Согласно теоретическому обоснованию формулы (7), задавшись предварительно размерами сваи, из условия их равновесия, представляется возможность определять необходимое количество свай (п) усиления. Расчёты следует проводить в зависимости от требуемой (задаваемой проектировщиком из условий реконструкции) величины силы предельного сопротивления усиленного основания Ди(ус).
3. Расхождение между значениями предельных давлений, полученными расчётом с использованием предложенной формулы (6) и по результатам штамповых испытаний усиленного основания, составляет 12 %, что можно считать вполне приемлемым.
4. Представленная методика позволяет определять необходимое число микросвай усиления и обоснованно выполнять проектное решение по усилению основания.
—Р— ;- р0111 —р Р.,, р„„.
1 1 1 1
1 1 1
1 1 1 1
1 1 1
1 1 1 1
^ 1 1 1 1
%*т 1 1 1
1 1 1
-штамп без занреп пения —Н ч- ч-
\ 1 1 1
м 1 1 1
с 1пением \ | ** * 1 1
закрег V 1
1
V / V
1 <
✓ / V
£ и' 1
Библиографический список
1. Алексеев, С.И. Оценка закрепления основания методом пневмотрамбования щебёночно-цементной смеси / С.И. Алексеев, Р.В. Мирошниченко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2007. - Вып. 4(13). - С. 88-97.
2. Маслов, Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов / Н.Н. Маслов. - М. : Высшая школа, 1982. - 511 с.
3. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83*). -М. : Стройиздат, 1986. - 32 с.
4. Алексеев, С.И. Исследование зон уплотнения грунтового основания вокруг выштампо-ванных микросвай / С.И. Алексеев, Р.В. Мирошниченко // Межвузовский тематический сборник трудов. - СПб. : СПб ГАСУ, 2009. - С. 90-94.
5. Руководство по проектированию и устройству заглублённых инженерных сооружений. - М. : Стройиздат, 1986. - 112 с.
S.I. ALEKSEEV, R.V. MIROSHNICHENKO
INFLUENCE OF STAMPED MICRO-PILES ON BEARING CAPACITY OF SHALLOW FOUNDATIONS
The article presents the main results of a theoretical justification of increasing the bearing capacity of a foundation fixed with stamped micro-piles. Results of performed tray tests were analyzed both for direct foundations and foundations fixed with micro-piles. Theoretical calculations were compared to the model test outcomes. There were made conclusions on similarity of calculations made in the theory and research results obtained in practice.
