CC BY
42
УДК 624.154.331 (088.8)
С.В. Вершинин, старший преподаватель ФГОУ ВПО Орел ГАУ
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТА ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ФУНДАМЕНТОВ ПОД СООРУЖЕНИЯ ПО ХРАНЕНИЮ И ПЕРЕРАБОТКЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ ПУТЕМ УСТРОЙСТВА СВАЙ НА КОМБИНИРОВАННОМ ОСНОВАНИИ
Рассматриваются проблемы, связанные с необходимостью повышения несущей способности грунта при возведении свайных фундаментов в условиях сельского строительства, и предлагаются технологические и конструктивные решения, направленные на снижения материалоемкости и повышение надежности фундаментов. Так же обсуждается методика расчета предложенных конструкций свайных фундаментов по несущей способности для связных и несвязных грунтов. Ключевые слова: Свая, несущая способность, уплотнение грунта, снижение расхода, комбинированное основание, коаксильные оболочки, расчетная схема, предельное состояние.
При разработке конструкций и проектировании фундаментов, в том числе свайных, часто в противоречие вступают прочностные характеристики материала фундамента и грунто во го основания. Из-за этого при перенапряжении, например грунта, приходится увеличивать размеры фундамента, п эт му ег материал стается нед груженным, чт прив дит к значительн му расх ду к нструктивных материал в и средств на устр йства фундамент в.
Одним из направлений снижения материало емкости и повышения надежности фундамент в в п следние г ды являются различные спо со бы по вышения несущей спо со бно сти о сно ваний: увеличение их пл тн сти статическим и динамическим трамб ванием, закрепление сн ваний различными вяжущими, упл тнение естественных сн ваний внедрением в них сыпучих материал в п вышенн й пр чн сти, передачи нагруз к т фундамента на сн вание через пр сл йки или к нструктивные элементы с б лее выс кими, чем у грунт в г сн вания пр чн стными
характеристиками и др.
П т чн е пр изв дств и п следующая сб рка на стр ительн й пл щадке легких металлических конструкций производственных сельскохозяйственных зданий накладывает жесткие треб вания к т чн сти устро йства фундаменто в. Так, например, отклонение п вертикали и г риз нтали крепежных элемент в на фундаментах всех тип в теплиц т сей не д лжн превышать + 0,5...1см. Такой точности при устро йстве фундамент в из свай в зм жн д биться т льк при их п гружении мет д м статическ г вдавливания. Кро ме того, динамические методы погружения свай под такие со оружения исключаются из-за наличия на опорных площадках фундаменто в металлических закладных деталей, к т рые м гут разрушаться или деформироваться (так же динамические методы нед пустимы при в зведении фундамент в вблизи существующих п стр ек, например на забивку свай накладывается граничение в 50 метр в т сущ. зданий). В связи с этим для со о ружений по пр изв дству и хранению пл д в щн й пр дукции и при рек нструкции и расширении пр изв дственных ко мплексо в, целесоо бразно использовать
The article deals with the problems associated with the need to improve the bearing capacity of soil for construction of pile foundations in rural construction, and proposed technology and design solutions to reduce material consumption and improve the reliability of foundations. Just consider the method of calculating the proposed construction of pile foundations on the bearing capacity for cohesive and noncohesive soils.
Key words: Pile, bearing capacity, compaction of soil, reduction of, combined base (soil), coaxial shell, design model, limit state.
фундаменты, погружаемые методом статического вдавливания.
С учето м вышеизложенных факторов,
предлагается ко нструкция фундамента, этапы формиро вания ко торо й представлены на рисунке 1.
Размеры железобетонного ствола могут о ставаться п ст янными независим т грунт вых усл вий, а размеры о болочек назначаются дифференциро ванно в зависим сти т характеристик сн вания и нагрузки на фундамент. Внешняя нагрузка от со оружения на естественн е сн вание передается через ств л, искусственную б л чку в грунте и б л чку из уплотненного грунта. Это позволяет перераспределить напряжения в естественн м сн вании и во влечь в работу бо льший объем грунта, что дает во зможно сть в свою очередь существенно повысить его несущую способность и несущую способность свайн г фундамента в цел м.
Рис. 1. Этапы фо рмиро вания сваи на комбинированном осно вании.
¿Г
3-
Рис. 2. Различные типы свайных фундаментов на ко мбиниро ванно м о сно вании, где: 1-естеств. грунт; 2-ж/б ствол; 3-песчан. о бол.; 4-грунт. о бол.; 5-уплотн. грунт.
Сваи такой конструкции возводятся следующим о бразо м (см. рис. 1.). На спланиро ванно й
строительной площадке с помощью круглого или квадратного полого штампа 6, погружаемого в грунтовые основания методом вибровдавливания, статического вдавливания или забивки, о бразуют на заданную глубину скважины 7 с одновременным со зданием уплотненно й зо ны 8. По сле по гружения штампа 6 его извлекают, а о бразованную скважину заполняют бетонной смесью 9 на всю глубину. В случае устройства таких свай в обводненных грунтах полый штамп используют в качестве обсадной трубы, через которую производят заполнение скважины материалом снизу вверх. После заполнения скважины до устья производят о братное погружение штампа в скважину на перво начальную глубину. За один или несколько проходо в штампа 6 в грунтовом массиве формуют замкнутую о болочку из бето нного слоя 3 и о бразуют уплотненную зону 8. Для с оздания грунтовой или песчаной уплотненной прослойки о бразующаяся в бетоне полость с размерами, равными размерам штампа, заполняют грунтом, песком или другим аналогичным материалом по принципу, о писанно му выше, и фо рмуют также за один или несколько проходов штампа прослойку сыпучего материала 4, под воздействием которого бетонный слой 3 вытесняется в грунтовый массив с одновременным его уплотнением, некоторым уменьшением толщины стенки и увеличением объема уплотненно го грунта. Таким о бразо м, в грунто во м массиве формуется набивная о болочка, выполненная многослойно й из располо женных ко аксильно на расстоянии друг от друга бетонных слоев и размешенных между ними прослоек сыпучего материала. Заключительный этап устройства сваи состоит в погружении на заданную отметку железо бетонного ствола. Для проходки скважины при устройстве свай на комбинированном основании разработано специально е устро йство. Устро йство состоит из трех основных блоков: рабочего цилиндра с наконечником, подводящими коммуникациями и поршнем для нагнетания жидкости в грунтовый массив; силового гидроцилиндра - привода, задействованного от гидросистемы базовой машины и
регистраторов расхода рабочей жидкости, давлений в ней и двухкамерно м гидродинамо метре. Устро йство по зволяет выполнить следующие о перации:
- с помощью сваевдавливающего агрегата существлять пр х дку скважин на требуемую
глубину и выдавливание сыпучих материал в за пределы скважины в грунт вый массив;
- в пр сад чных грунтах с низк й прир дн й влажн стью пр изв дить л кальн е замачивание
сн вания для снижения ег с пр тивления при п гружении свай;
- в основаниях с равнопрочными прослойками производить проходку скважины с разрушением прочно го грунта высо ко напорными струями;
- инъектировать компоненты закрепляющих растворов в грунтовый массив;
- пр изв дить з ндир вание сн вания для пределения с пр тивления вдавливанию и перативн г к нтр ля несущей сп с бн сти
свайн г фундамента в пр цессе пр изв дства раб т, а также для пределения удельных с пр тивлений п нижнему к нцу и б к в й п верхн сти свай.
При зондировании грунта с помощью двухкамерного гидродинамометра на нескольких горизо нтах через 10-20 см по глубине о пределяются общее сопротивление вдавливанию и трение по боковой поверхности при выдергивании. Сопротивление по нижнему ко нцу определяется как разность между о бщим сопротивлением вдавливанию и трением по боковой поверхности. По полученным данным строятся графики зондирования, используя которые легко устано вить удельно е трение и удельно е сопротивление по острию на любой глубине грунтового массива, по ним определяют несущую спо со бно сть свай.
Рассмотрим вопросы по методикам расчета таких тип в фундамент в. В связи с к нструктивн й специфичн стью свайных фундамент в на комбинированном основании СНиП 2.02.03-85 и другие реги нальные н рмативные д кументы не с держат рек мендаций п расчету и пр ектир ванию таких фундамент в. Учитывая эт т факт, в зникает не бх дим сть в разраб тке мет дики расчета мал размерных свай на к мбинир ванн м сн вании
2
2
с учето м характеристик грунта с, ф, Е и др., кото рыми проектировщик располагает по результатам инженерно -гео ло гических изысканий.
Рекомендуемый здесь мето д расчета разрабо тан на о сно ве излучения напряженно -деформиро ванно го со стояния и других факторо в взаимо действия грунта и микро сваи, выявленных в данно й работе, с исполь-зо ванием о сно во по лагающих тео ретических мето до в расчета свай, устраиваемых с вытеснением грунта.
В расчетной схеме раздельно рассматривается работа нижнего ко нца и боковой поверхности сваи. Тако е рассм о трение прав о мо чн о, п о ско льку
испытания свай-штампов различного поперечного сечения, вдавленных на глубину о т I д о 3,5 метр о в в песчаных и глинистых грунтах по казали, что сумма предельных со противлений грунта по д нижним концом и по бо ковой поверхности определенных раздельно, равна предельной нагрузке на всю сваю. Таким образ о м, в о сно ву расчета п о л о же но усл о вие:
Р = Р + Рв
Рв = Ров + Рве где Р - предельная нагрузка на сваю, кН;
Ро - предельно е со противление по о стрию, кН;
Рб- предельное со противление по боковой по верхно сти, кН;
Рв- усилие вдавливания, кН;
Ров - со противление по о стрию при вдавливании, кН;
Рбв- сопротивление по боко во й поверхности при вдавливании, кН.
Для о пределения предельного сопротивления по боковой поверхно сти микро свай с усиленным песчано й оболочко й о снованием используем
расчетную схему, приведенную на рисунке 3.
Рис. 3. Схема к о пределению со противлений по бо ко во й по верхно сти микро сваи с песчано й о болочко й.
Микросвайный фундамент рассматривается как ко нструкция, со сто ящая из железо бето нно го ствола и о кружающей его грунто во й сваи, устро йство которо й выполнено с вытеснением материкового грунта за пределы ее о бъема. Вследствие чего на боковую поверхность железо бетонного ствола микросваи будет передаваться давлением материала засыпки и давление по ко нтуру песчано й о болочки,
во зникающего в результате вытеснения упло тняемо го грунта. Так как материал песчано й о б о ло чки не
о бладает сцеплением, то в предельном состоянии сдвигающие и нормальные напряжения сдвига на ко нтакте сваи и оболочки будут выражаться зако ном Куло на в следующем виде:
I = рм
Со противление на участке боко во й поверхности высото й о пределится формуло й:
йР 6 = пЪрс ^ фх
где ф1 - угол внутреннего трения материала о бо ло чки, град.
Нормальное напряжение Рс на поверхности микросваи представляет со бо й суммарное горизонтальное давление, состоящее из бо кового давления материала оболочки Р1 и горизонтально го давления материкового грунта, возникающего в результате его вытеснения и уплотнения, передаваемого на ствол микросваи через материал засыпки:
рс=р+р
Величина бокового давления материала оболочки о пределяется по формуле
р1 =
где у1- объемный вес материала о бо л о чки, кН/м3; ^-коэффициент бокового давления песчано й о бо ло чки.
Вторая составляющая горизонтального давления грунта, уплотненного при устройстве песчаной о болочки, может быть определена из рассмотрения условия равновесия выделенно го единичного элемента фундамента, представляющего собо й
полукольцо с наружным диаметром Ь0 внутренним Ь и высото й ё2.
Для Р по лучаем зависимо сть:
р = р 2Ъ0 + £(Ъ - Ъ0)
2Ь + фо - Ь)
Приняв х = 2Ь0 +%(Ь-Ьо)
1 2Ь+4(Ьо -Ь)
получим величину горизонтально го давления материко во го грунта, во зникающего в результате его уплотнения:
р = р0 N
где Р0- горизо нтально е давление на ко нтуре о бо ло чки из упло тненно го песка.
Величина со противления по бо ко во й по верхно сти о пределится по формуле
рь = ж • ь • а • tgp1{ [0.5(7^ + < а]+
+
этф
Ы1Ы(1 - ьіпф^ 1-8і“ф - Ы1с • ^ф
}
где Ь-диаметр микро сваи, м;
й-глубина вдавливания микро сваи, м; у-о бъемная масса уплотняемо го материкового грунта, кН/мЗ;
У1-о бъемная масса уплотненного материала
о болочки принимается, как для песчаных грунтов с ко эффициент о м по рист о сти 1< 0.55 кН/м3;
ф-угол внутреннего трения уплотняемо го грунта, град;
фгугол внутреннего трения материала оболочки принимается, как для песчаных плотных грунтов, град;
^-коэффициент бокового давления уплотняемого грунто в ого о сн о вания;
^1-к оэффициент б ок ов ого давления материала оболочки;
С-сцепление уплотняем ого грунто во го осно вания. Значение предельной нагрузки по острию для связных грунтов по схеме на рисунок 4:
фундамент в, в зведение н вых фундамент в в непосредственной близости от уже существующих).
=П Ь2
A ■ с
E
4(с ■ cosp+ у dg)(\ -,u2)- 2 y d%(l -¡u) x{(cosp+с ■ tgp) - A ■ с ■ tgp+ Ay^d£+Bc}
ft і
"НІЖНІ fd ♦ МИН
- L 11 П і г Н Ж П 1 1 I n
Рис. 4. Расчетная схема для о пределения с опр отивления по плоско му нижнему концу вдавленной сваи: а) ге ометрические характеристики уплотненного ядра по результатам экспериментов; б) о б о бщенная схема упл отненн ого ядра с реактивными силами на его по верхности.
Предельная нагрузка по острию для песчаных грунто в:
Р„„ =п Ь2
A
E
4 y d£(l + sin Р)(1-U)+2Y d& + u)_
x {sin (p+A ]d^}
При вдавливании микр освай в слабые грунто вые основания, усиленные песчаными оболочками, возм ожны два случая заглубления нижнего ко нца в оболочку; острие с образовавшимся под ним уплотненным ядр ом не выходит за пределы песчано й оболочки; нижний конец сваи находится на уровне сопряжения сферического основания оболочки и цилиндрическ й б к в й п верхн сти б л чки, при этом высота уплотненного ядра превышает радиус сферического основания (рис. 5.).
Возведение фундамента по выше изложенной методике п озволяет значительно п овысить несущую способность грунтового основания и снизить затраты на пр изв дств неп средственн ств ла свай за счет уменьшения сечения и длинны сваи. Фактически при о динак овых грунтовых условиях и при равных несущих сп с бн стях в зм жн уменьшение длинны сваи вдвое и более раз. Данная техн л гия п зв ляет пр в дить рек нструкцию существующих с ружения различн г
сельск х зяйственн г назначение (укрепление
Рис. 5. Расчетная схема к о пределению с пр тивлений п стрию микр сваи, вдавленн й в песчаную о б олочку: а) случай, ко гда ядр о не выходит за пределы сферическ г сн вания б л чки; б) упл тненн е ядр частичн пр резает сферическ е осн ование песчаной о б олочки; в) схема уплотненно го ядра с реактивными силами с пр тивления грунта п ег п верхн сти.
Литература
1. Нестеренк о, В. М. П.с. N1310478
“Устройств о для образ ования скважин и нагнетания в грунт раств ора”/ Н. В. Местеренк о,
Н. Ф. Иваненко //Открытия. Изобретения. - 1987. -<18.
2. Азиз о в, И. А. С овершенств о вание
конструкций мелкозаглубленных фундаментов в вытрамбованных котлованах в пучинистых грунта/ И. А. Азизов. - Научно -технический информацио нный сб орник. - <10. - М. - 1989.
3. Зин овьев, Ю. Н. Перспективные к о нструкции фундаментов/ Ю. Н. Зино вьев. - Научно-технический инф ормационный сб орник. - <3. - М. - 1999.
4. Буланкин, Н. Ф. Исслед о вание
ко мбинир ованных фундаменто в. / Н. Ф. Буланкин. -Сб. науч. труд ов Красноярск, 1997.
5. Осипов, В. И. Уплотнение и армиро вание слабых
грунтов метод ом “Гео ко мпозит” / Осипов В.И.,
Филимонов С. Д. - ОФМГ. - <5. - 2002.
6. Цымбал, С. И. Теоретические обо бщения экспериментальных данных о распределении напряжений в основании висячих свай. / С. И. Цымбал.-Киев, Буд вельник, 1974, вып.7.
7. Цымбал, С. И. К определению предельного сопротивления грунта по боковой поверхности забивной сваи. / С. И. Цымбал. - Республиканский межвед омственный научн о-технический сборник. -Вып.12. - Киев, Буд вельник. - 1979.
8. Лапшин, Ф. К. Расчет свай по предельным состояниям. / Ф. К. Лапшин. - Саратов, 1979.
9. Улицкий, В. М. Геотехническ ое обосн ование сложных технологий реконструкции и нового стр оительства/ В. М. Улицкий. - ОФМГ, <3. -1997.
10. Григо рян, А. А. Новый п о дх од к определению просадки грунта как разрушению от потери прочности. / А. А. Григорян. - ОФМГ, <6. -1997.
x
x
