CC BY
290
С. И. Алексеев, В. А. Лукин
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСРЕДНЕННОГО МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО ВЫШТАМПОВАННЫМИ МИКРОСВАЯМИ,
ДЛЯ ЛЕНТОЧНОГО ФУНДАМЕНТА
Предложена методика определения осредненного модуля деформации грунтового основания, усиленного выштампованными микросваями, применительно к ленточным фундаментам. Использование данной методики на основе принятых допущений позволяет расчетным методом прогнозировать развитие осадок усиленных оснований при дополнительном нагружении основания. Приведены результаты экспериментальных штамповых испытаний, которые имеют удовлетворительные совпадения с предлагаемой методикой расчета.
выштампованные микросваи, усиление грунтов основания, осредненный модуль деформации грунтового основания, штамповые испытания, осадки фундамента.
Введение
Одним из мероприятий конструктивного усиления пылевато-глинистого грунтового основания под существующими фундаментами является устройство свай. В последнее время достаточно широкое распространение получают микросваи усиления, изготовляемые методом виброштампования.
Выштампованные таким образом микросваи обычно изготавливаются в следующем порядке.
1. Пневмопробойником в водонасыщенном глинистом основании под подошвой существующих фундаментов пробиваются скважины глубиной до 2,0 м, диаметром 135...200 мм.
2. После извлечения пневмопробойника скважины засыпаются смесью щебня, перемешанного с цементом в соотношении 4:1. Сквозь выполненную засыпку скважины пробиваются пневмопробойником заново.
3. Данная операция повторяется 5.10 раз в зависимости от состояния плотности окружающего глинистого грунта.
4. Образовавшаяся полость заполняется бетоном, образуя ствол микросваи диаметром до 220 мм, вокруг которого располагается оболочка из уплотненного грунта с втрамбованным щебнем.
Выштампованные цементно-щебеночные микросваи выполняются чаще всего для усиления грунтов основания с двух сторон подошвы существующих ленточных фундаментов. Угол наклона свай составляет от 20° до 45° к вертикали.
1 Основные допущения предлагаемой методики
Рассмотрим задачу определения осредненного модуля деформации грунтового основания, усиленного выштампованными микросваями, на основе допущения, что при выполнении данных микросвай усиления грунтового основания
(http://www.buildcalc.ru/Books/2009062801/Default.aspx) под подошвой ленточного фундамента (рис. 1) в основании образуется неоднородная среда, состоящая в общем случае из следующих компонентов:
1) грунтового массива с модулем деформации Ер и объемом Кгр;
2) микросвай усиления основания (ствол сваи с модулем деформации Есв ~ 100...130 мПа, объемом Усв), расположенных под различными углами;
3) уплотненной оболочки грунта радиусом 0,2 м вокруг изготовленной сваи с втрамбованным щебнем и модулем деформации Еугр = 1,11Егр и объемом Кугр [11-
Рис. 1. Пример проектного решения по устройству выштампованных микросвай усиления основания под внутреннюю стену реконструируемого здания
2 Вычисление осредненного модуля деформации условного объема уплотненного основания
Для основания, усиленного микросваями, средневзвешенное (осредненное) значение модуля деформации основания Еср в соответствии с принятыми допущениями можно определить исходя из следующего выражения:
*,=
Е ■V +Е +V +Е ■V
СВ св угр угр гр гр
V +V +V
св угр гр
(1)
где Есв, Еугр, Егр - соответственно модули деформации материала сваи, уплотненной оболочки грунта вокруг сваи и грунтового массива;
Усв, Уугр, Угр - объемы, занимаемые соответственно сваями, уплотненным грунтом вокруг свай и оставшимся грунтовым массивом в общем условном объеме У = b уплотненного основания на единицу длины (рис. 1), b - ширина подошвы ленточного фундамента.
Для n-го количества микросвай усиления основания, обычно диаметром d = 0,22 м (из условий технологических параметров изготовления), имеющих длину l = b/cosa (пересекающих всю условную зону основания толщиной b) и выполненных под углом a к вертикали, получим:
Усв = (nd2/4)7-n = (nd2/4)-bn/cosa. (2)
Для уплотненной оболочки грунта радиусом 0,2 м вокруг изготовленной сваи или при d1 = 0,6 м получим:
Уугр = (п d2 /4 - п d2 /4)7-n = (п d2 /4 - п d2 /4)-b-n/cosa = п/4( d2 - d2 )bn/cosa . (3)
Тогда Угр* составит:
V = У - У - У -Ь7 - лd2 /4 • Ъ • п / cos a - пd,2 /4 • b • п / cos a +
гр св угр 1
2 2 (4) + 7id /4 •b-n / cos a = b b - %dl -n! 4 • cos a .
Подставляя полученные значения Усв, Уугр, Угр в исходную формулу (1), можно вычислить Еср.
Таким образом, предложенная методика в соответствии с принятыми допущениями для вычисления Еср позволяет определить осредненную деформационную характеристику для усиленного грунтового основания в зависимости от исходных модулей деформации (Есв, Еугр, Егр), ширины
* При небольших размерах фундамента и частом шаге микросвай может быть принята минимальная величина Угр, равная 0. В этом случае весь условный объем уплотненного основания занимают микросваи и уплотненный грунт вокруг них.
подошвы фундамента (b) и количества (n) микросвай усиления на единицу длины фундамента.
В результате принятое конструктивное решение по усилению грунтового основания в виде устройства выштампованных микросвай дает возможность расчетным способом прогнозировать изменение модуля деформации уплотненного основания. Полученная осредненная характеристика модуля деформации усиленного основания будет определять развитие осадок реконструируемых зданий (расчет по деформациям или по II предельному состоянию) при дополнительном их нагружении (замена перекрытий, строительство мансард или этажей).
3 Штамповые испытания основания, усиленного выштампованными микросваями
В целях проверки предложенной методики осреднения модуля деформации грунтового основания было принято решение провести полевое штамповое испытание закрепленного основания. Для проведения испытания в подвале реконструируемого здания была подготовлена (вырезана) часть существующего ленточного фундамента размерами в плане 0,8 м на 0,6 м, высотой 0,6 м. Этот фундамент служил в качестве штампа с заглублением 0,3 м в основание. Основание под штампом предварительно было усилено двумя выштампованными микросваями диаметром 220 мм, длиной 2 м, выполненными под углом а = 20° к вертикали.
На рис. 2 показан общий вид штампа на момент проведения испытаний с установленным домкратом и прогибомерами. Штамповые испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 20276-99.
Основанием в штамповых испытаниях служили озерные ледниковые отложения QlgIII Балтийского ледникового озера, представленные суглинками пылеватыми, слоистыми, сильно выветрелыми, мягкопластичными, общей мощностью до 8 м со следующими характеристиками:
влажность W = 0,3.. .0,38;
-5
плотность р = 1,85.1,89 г/см ;
коэффициент пористости e = 0,943... 1,045;
показатель текучести JL = 0,85... 0,92;
модуль общей деформации Е0 = 5 мПа.
В соответствии с принятыми допущениями, используя схему на рис. 1 и выражение (1), выполним вычисление средневзвешенного значения модуля деформации основания Еср, усиленного микросваями,
расположенными под штампом.
4
3
4
5
2
Рис. 2. Общий вид проведения испытаний:
1 - штамп (ж.-б. фундамент) размером 0,8x0,6 м; 2 - домкрат; 3 - прогибомеры; 4 - металлическая труба-стойка 0 150 мм; 5 - реперная система
Тогда для условий проведенного эксперимента и микросвай, выполненных под углом а = 20° к вертикали, с использованием выражения (2) получим:
Усв = (nd2/4)7n = (nd2/4)bn/cosa = (3,14-0,222/4)-bn/0,939 = 0,04bn.
Для вычисления уплотненного объема грунта вокруг изготовленных микросвай воспользуемся выражением (3), тогда
^ = ndf / 4 - nd2 / 4 -I -п = п/ 4 df -d2 •b-п/ cos a =
= 3,14/4 0,62 -0,222 -b-n/0,939 = 0,26-b-n.
В соответствии с выражением (4) Угр составит:
Угр = V- Усв - Уугр = b2 - 0,04bn - 0,26bn = b(b - 0,3n).
4 Пример вычисления средневзвешенного (осредненного) модуля деформации для условного объема грунта
С учетом приведенных выше вычислений средневзвешенный (осредненный) модуль деформации для условного объема грунта, усиленного выштампованными микросваями (рис. 1), для штампового эксперимента в соответствии с выражением (1) составит:
Е
ср
Есв • 0,04п + Еутр • 0,26и + Егр (6 - 0, Зи)
Ъ
Подставляя дополнительные данные Есв = 100 мПа;
Еугр = 1,11Егр = 1,11*5 = 5,5 мПа в представленное выражение для Еср, получим:
E
100 • 0,04 • 2 + 5,5 • 0,26 • 2 8 + 2,86
ср
0,6
0,6
18 МПа.
Таким образом, в результате усиления выштампованными микросваями основания под штампом условный объем уплотненного основания (слой грунта мощностью до b = 0,6 м) будет иметь осредненный расчетный модуль деформации Еср = 18 мПа.
5 Сопоставление результатов эксперимента и расчета
С целью проверки представленной расчетной методики по определению осредненного модуля деформации условного объема грунта для основания, усиленного выштампованными микросваями под штампом (см. выше), приведем результаты эксперимента в виде графической зависимости осадки штампа от прикладываемого давления (рис. 3).
Рис. 3. Графические зависимости осадки штампа от прикладываемого давления:
1 - расчетная для штампа на естественном основании; 2 - измеренная по результатам испытаний на уплотненном выштампованными микросваями основании; 3 - расчетная для штампа на уплотненном выштампованными микросваями основании
Представленные зависимости 1 и 2 на рис. 3 убедительно показывают эффективность применяемого метода усиления основания выштампованными микросваями. Осадки, полученные по результатам испытаний для основания, уплотненного выштампованными микросваями (кривая 2), существенно (на 40...60 %) меньше, чем осадки (метод послойного суммирования) при тех же давлениях, но для штампа на естественном основании (кривая 1). Анализ представленных на рис. 3 зависимостей 2 и 3 показывает, что расчетные данные (кривая 3) отличаются от результатов испытаний в пределах до 13...15 %; это можно считать вполне приемлемым для инженерного метода расчета.
6 Примеры измеренных осадок зданий
Снижение абсолютных и относительных осадок реконструируемых зданий, основания которых были усилены устройством выштампованных микросвай, подтверждается по результатам мониторинга, проводимого для конкретных объектов. Так, на рис. 4 представлены результаты абсолютных осадок и построены эпюры относительных осадок для реконструируемого здания по адресу: СПб., Васильевский остров, ул. Детская, д. 28/ул. Канареечная, д. 13.
Для данного здания (оздоровительного центра) проводилась реконструкция в виде надстройки двух этажей и углубления подвала.
Рис. 4. Схема расположения реконструируемого здания с измеренными величинами абсолютных осадок и построенными эпюрами неравномерности осадок для реконструируемого здания по адресу: СПб., Васильевский остров, ул. Детская, д. 28/ул. Канареечная, д. 13
После выполнения работ по усилению основания (пылеватый песок) данного здания выштампованными микросваями по результатам мониторинга, проводимого по 14 установленным маркам, с 05.05.2007 по 28.03.2008 величины абсолютных осадок составили 2,7...9,3 мм, что значительно меньше предельно допустимых значений для сооружения данного класса [2]. Следовательно, примененный метод усиления основания следует считать достаточно эффективным для практического применения.
Следует привести пример использования выштампованных микросвай усиления основания для реконструируемого здания (надстройка мансарды) по адресу: СПб., ул. Шаумяна, д. 26 (рис. 5). Для данного здания по результатам выполненных работ проводился мониторинг осадок не только для реконструируемого объекта, но и для окружающей застройки. На рис. 5 представлены результаты абсолютных осадок и построены эпюры относительных осадок по 32 маркам.
Рис. 5. Схема расположения реконструируемого здания с измеренными величинами абсолютных осадок (включая окружающую застройку) и построенными эпюрами неравномерности осадок для реконструируемого здания по адресу:
СПб., ул. Шаумяна, д. 26
Геодезические наблюдения, проводившиеся на данном объекте в период с февраля по октябрь 2007 г., показали, что абсолютные осадки на реконструируемом здании составили 0,3... 0,9 мм. Окружающая застройка получила осадки в пределах 0,3...0,5 мм. Очевидно, что данные деформации существенно меньше предельно допустимых величин [2] и потому вполне приемлемы, поскольку не окажут негативного влияния на надземные конструкции.
Заключение
1. Конструктивное решение по усилению грунтового основания в виде устройства выштампованных микросвай дает возможность расчетным способом прогнозировать изменение модуля деформации уплотненного основания.
2. Осадки основания, усиленные выштампованными микросваями, рассчитанные с использованием предложенной методики осреднения модуля деформации условного объема грунта, имеют расхождения с результатами испытаний в пределах до 15 %, что можно считать вполне приемлемым для инженерного метода расчета.
3. Полученная по результатам расчета осредненная характеристика модуля деформации усиленного основания будет определять развитие осадок реконструируемых зданий (расчет по деформациям или по II предельному состоянию) при дополнительном их нагружении (замена перекрытий, строительство мансард или этажей).
4. Положительные примеры практического использования усиления оснований реконструируемых зданий выштампованными микросваями с минимальным развитием дополнительных осадок зданий подтверждаются результатами длительного мониторинга как реконструируемых объектов, так и окружающей застройки.
Библиографический список
1. Исследование зон уплотнения грунтового основания вокруг выштампованных микросвай / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Межвуз. тематич. сб. трудов. -СПб. : СПбГАСУ, 2009. - С. 90-94.
2. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. ТСН 50-302-2004. - СПб. : СПбГАСУ, 2004. - 58 с.
Статья поступила в редакцию 24.04.2010; представлена к публикации членом редколлегии Т. А. Белаш
УДК 699.841
