Открытое акционерное общество

"Уральский научно-исследовательский институт

   архитектуры и строительства"

Доверяйте профессионалам!

тел.: +7 (343) 374-48-50

факс: +7 (343) 378-89-20

e-mail: as-a-uralniias@nlmk.com

Статьи

Экспериментальное исследование основания комбинированного плитно-свайного фундамента

Одной из наиболее эффективных разработок в области фундаментостроения являются комбинированные плитно-свайные фундаменты (ПСФ), которые активно изучаются и внедряются в практику строительства в последние несколько лет.

ПСФ представляет собой монолитную плиту, подкрепленную сваями в виде свайного поля, лент, кустов или одиночных свай. При этом обе  компоненты фундамента – плита и сваи – являются несущими, обеспечивая передачу нагрузки на грунт основания.

Основная область применения – строительство на слабых, неравномерно сжимаемых, просадочных, насыпных и т.п. грунтах. 

Появился целый ряд научных исследований теоретического и экспериментального характера в области комбинированных плитно-свайных фундаментов (работы В.Г. Федоровского, С.Г. Безволева, Д.Ю. Чунюк, А.Л. Готмана, В.В. Лушникова, Ю.Р. Оржеховского, Б.Н. Мельникова и др. [1-4]). По тематике ПСФ защищена докторская диссертация (Н.З. Готман [5]), в которой детально исследуется работа комбинированных плитно-свайных фундаментов на забивных сваях в характерных грунтовых условиях Башкирии с учетом образования карстового провала.

Результаты этих и других исследований нашли отражение в ряде нормативных документов федерального и регионального уровня - СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», МГСН 2.07-97 «Основания, фундаменты и подземные сооружения», ТСН 50-302-02 «Проектирование оснований и фундаментов строящихся и реконструируемых зданий и сооружений в г. Ханты-Мансийске» (разработанные ОАО институт «УралНИИАС»).

Последние 25 лет в Свердловской области и в других областях (Кемеровская, Курганская, Пермская, Челябинская, Ростовская, Ханты-Мансийский АО) активно используется новый способ устройства свай, а в более общем плане способ усиления оснований – метод высоконапорной инъекции (ВНИ), являющийся дальнейшим развитием метода цементационного упрочнения [6,7].

Метод цементационного упрочнения грунтов уже более 100 лет применяется в строительной практике. Механизм упрочнения заключается в следующем: после внесения в грунт цементного раствора последний проникает в поры грунта, вытесняя воду, а последующее упрочнение грунта обусловлено постепенным твердением раствора.

Метод цементации регламентирован многочисленными нормативными документами, в частности СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Однако область его применения строго ограничена только проницаемыми грунтами – крупнообломочными и трещиноватыми скальными, причем давление нагнетания цементных растворов не должно вызывать образования  разрывов сплошности закрепляемого грунта.

Какие-либо сведения о возможности применения метода цементации для закрепления связных грунтов в технической литературе отсутствуют. Указанные ограничения казались вполне очевидными: связные грунты, действительно, практически непроницаемы для раствора; как следствие, раствор может неконтролируемо растекаться в грунтовом массиве, не приводя к ожидаемому эффекту. Кроме того, связные водонасыщенные грунты практически невозможно уплотнить тем давлением, которое грунт может воспринять по условиям образования трещин гидроразрывов в массиве.

Предложения, обеспечивающие локализацию области инъекции (и составляющие существо метода высоконапорной инъекции), следующие:

  • инъекция выполняется через специальные инъекторы (перфорированные трубы) вязкими растворами, которые не будут неконтролируемо растекаться в массиве, но в то же время будут кольматировать образуемые в грунте трещины и разрывы; оптимальным оказалось, как показала практика, применение обычного цементно-песчаного раствора, консистенция (подвижность) которого устанавливается опытным путем;
  • инъекция осуществляется по определенной технологии, включающей нагнетание раствора, кратковременную задержку инъекции для «самозалечивания» образующихся трещин и разрывов в грунте, продолжение инъекции и  т.д.;
  • в цементно-песчаные растворы вводятся специальные добавки, в зависимости от ситуации, замедляющие или ускоряющие процесс твердения цемента;
  •  после инъекции осуществляется опрессовка массива грунта высоким давлением (1-2 МПа), что позволяет улучшить свойства грунта не только в области инъекции, но также в окружающем грунтовом массиве.

Таким образом, производя инъекцию цементно-песчаного раствора по описанной выше технологии, можно обеспечить:

  • создание в грунте полости заданных размеров с одновременным заполнением ее прочным твердеющим веществом, т.е. устройство буроинъекционных свай ВНИ:
  • армирование грунта жесткими элементами, что после закрепления создает композитный массив с улучшенными до заданных пределов свойствами;
  •   уплотнение (за счет опрессовки) массива грунта вокруг закрепленной области, что создает дополнительный эффект, в результате чего свойства окружающего грунта, несомненно, улучшаются и способствуют тем самым повышению несущей способности закрепленного массива в целом.

В последние несколько лет буроинъекционные сваи ВНИ неоднократно использовались в сочетании с монолитной плитой, т.е. в виде комбинированного плитно-свайного фундамента. Кроме того, в нескольких случаях производилось усиление существующих фундаментных плит путем высоконапорной инъекции в грунт под плитой с образованием свай ВНИ, т.е., тем самым, превращение плиты в ПСФ.

Изготовление ПСФ, подкрепленного сваями ВНИ, включает следующие этапы:

1 Изготовление монолитной фундаментной плиты и установка гильз под сваи ВНИ в тело плиты.

2 Бурение скважин через гильзы и установка инъекторов.

3 Нагнетание раствора через инъекторы.

4 Опрессовка грунтового массива давлением 1-2 МПа.

В данной статье приводятся некоторые результаты наблюдений за формированием и развитием напряженно-деформированного состояния грунтового основания комбинированного плитного свайного фундамента 3-х секционного жилого здания по ул. Фрезеровщиков в Орджоникидзевском р-не г. Екатеринбурга.

Здание разновысокое: секции 7-, 10-, 14-этажные, с полным сборно-монолитным каркасом. Фундамент выполнен в виде системы монолитных железобетонных плит толщиной 500 мм (под 7-ми этажную часть) и 600 мм (под 10 и 14-ти этажную часть), подкрепленных кустами  из висячих забивных железобетонных свай и свай высоконапорной инъекции; длина свай 7.0 м.

Выбор конструкции фундамента связан с наличием в геологическом разрезе 9 литологических элементов разного генезиса с различными физико-механическими характеристиками и неравномерным напластованием, включая торф слоем до 2.7 м; различная глубина залегания кровли скальных грунтов.

Под фундаментной плитой 10-этажной секции в бетонную подготовку были установлены тензорезисторные преобразователи давления ПДМ-70/II конструкции ЦНИИСК, для регистрации статических деформаций в датчиках используется прибор ЦТИ – 1. Схема расположения датчиков приведена на рис.1.

Кроме того, по верху плиты (на подколонниках) были установлены геодезические марки для фиксации вертикальных перемещений (осадок) фундамента на различных участках плана.

Некоторые характерные результаты измерений приведены на рис. 2-5

По результатам наблюдений можно сделать следующие основные выводы.

1. После бетонирования фундаментной плиты но до выполнения инъекции давление по подошве (0.02-0.1 кгс/см2) соответствовало собственному весу плиты с учетом частичного ее «зависания» на более жестких опорах – забивных сваях. Инъекция в грунт цементно-песчаного раствора вызвала резкий прирост (до 0.5-1.0 кгс/см2) показаний датчиков, расположенных в зоне инъекции или вблизи нее с последующей достаточно медленной релаксацией напряжений практически до прежнего уровня.

2. По завершении инъекции и стабилизации показаний датчиков некоторое время контактное давление по подошве плиты практически не меняется, несмотря на прирост общей нагрузки (рост этажности примерно до уровня 3-4 этажей). Весь прирост нагрузки в этот период воспринимается забивными и буроинъекционными сваями практически без прироста осадок (по показаниям марок – не более 1-2 мм), необходимых для мобилизации отпора грунта по подошве плиты. Следующий этап характеризуется развитием осадок висячих свай (по показаниям марок – от 5 до 15 мм). Это приводит к возрастанию давления по подошве примерно пропорционально росту нагрузки (увеличению этажности), причем доля нагрузки, передаваемая на грунт основания непосредственно плитой, составляет 10-20%, соответственно, воспринимаемая сваями  - 80-90%.

На одном участке, вблизи от свайного куста (зоны инъекции) в осях У/5, зафиксирован резкий прирост давления на последней стадии строительства – до 1.0 кгс/см2 (0.15 МПа). По-видимому, это связано с исчерпанием несущей способности расположенных там буроинъекционных свай и восприятием соответствующего избытка нагрузки непосредственно грунтом под подошвой плиты.

На отдельных датчиках отмечаются также скачки давления в конце зимнего периода с последующим падением в весенний период. Это, очевидно, связано с промерзанием грунта ниже подошвы и развитием нормальных сил морозного пучения.

3. Отпор грунта по подошве плиты минимален внутри или в непосредственной близости от контура  свайных кустов и возрастает по мере удаления от свай.  Это связано с тем, что грунт на контакте со сваей вовлекается в осадку, прежде всего, за счет работы боковой поверхности сваи, а не подошвы ростверка. Для кустов буроинъекционных свай, однако, разница давлений грунта в опорной (близи кустов) и пролетной зонах меньше, чем для забивных свай. Это обусловлено повышением общей жесткости грунтового массива после выполнения инъекции и опрессовки.  В частности, как видно из графиков, отпор грунта у куста буроинъекционных свай (фактически – в зоне инъекции) в несколько раз выше, чем на участке в аналогичной близости от забивных свай. Можно заключить, что, с точки зрения расчета плитно-свайного фундамента,  куст из забивных свай можно моделировать традиционным образом – как дискретную систему упруго-пластических стержней (т.е. с конечным пределом прочности). Для свай же ВНИ более целесообразно представление зоны инъекции в виде сплошного участка повышенной жесткости (повышенных значений коэффициентов постели) без явного выделения отдельных точечных опор.

ОАО институт «УралНИИАС» с начала 60-х годов XX века активно участвует в программах по разработке и исследованию новых строительных конструкций для зданий и сооружений, составлении норм и правил, рекомендаций для проектирования и строительства. Специалисты научного направления Института выполняют научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке новых строительных несущих и ограждающих конструкций и материалов для зданий, сооружений и фундаментов. Благодаря обширной материально-технической базе и богатому научному потенциалу, специалисты ОАО институт «УралНИИАС» совместно с Союзом предприятий строительной индустрии Свердловской области и УГТУ-УПИ ведут разработку ТСН. На сегодняшний день, разработаны и утверждены в Правительстве Свердловской области 14 ТСН. Эти ТСН прошли проверку в Центре экспертиз и ЦНИИ и активно используются в практике проектирования и строительства.

ОАО институт «УралНИИАС» предлагает свои услуги в области научных исследований и опытно-конструкторских разработок.

Список использованных источников

1. Федоровский В.Г., Безволев С.Г. Прогноз осадок фундаментов мелкого заложения и выбор модели основания для расчета плит. Основания, фундаменты и механика грунтов. 2000, №4.

2. Готман А.Л., Каранаев М.З. Исследование работы комбинированных свайных фундаментов  на вертикальную нагрузку – Основания, фундаменты и механика грунтов, 1991, №6, с. 15-18.

3. Оржеховский Ю.Р., Лушников В.В., Оржеховская Р.Я. (Екатеринбург, Россия) Оптимизация решений плитных фундаментов на неоднородном основании. Геотехнические проблемы строительства архитектуры и геоэкологии на рубеже XXI века/ Темиртау: Издательство Казахстанской национальной геотехнической ассоциации 1023 с., в двух томах:т.1 (523 стр.), т.2 (500 стр.).

4. Мельников Б.Н., Оржеховский Ю.Р. Напряженно-деформированное состояние геотехногенных систем, включающие подкрепляющие свайные поля / Труды V международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения, Российский национальный комитет по механике грунтов и фундаментостроению, Пермский государственный технический университет, 1996 г.,

5. Готман Н. З. Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала: Дис. ... док. техн. наук. - Москва, 2004. - 348 с.

6. Лушников В.В., Богомолов В.А.  Высоконапорная инъекция грунтов как способ создания геотехногенных систем в строительстве. Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий / Материалы Международного симпозиума. – Екатеринбург: Издательство «Аква-пресс», 2001 г. – 2 тома, - 792 стр.

7. Богомолов В.А. Метод высоконапорной инъекции связных грунтов при устройстве и усилении оснований и фундаментов: Дис. кан. техн. наук. - Пермь, 2002. - 348 с.

8. Оржеховский Ю.Р., Лушников В.В., Ярдяков А.С., Оржеховская Р.Я. Комбинированные свайно-плитные фундаменты. Одиннадцатые уральские академические чтения, сб. трудов. – Екатеринбург, 2006 г.

_________________________________________________________________________________

Ярдяков А. С.

(Уральский научно-исследовательский институт архитектуры и строительства)

Оржеховский Ю. Р., Лушников В.В.

(Уральский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт)

 


Страница: 1 2 3 4 5

Анализ расчетов осадок в нелинейной стадии работы грунта

Выход за пределы линейных зависимостей «напряжение, давление – деформация, осадка» для грунтов, как и других материалов (стали, бетона), – актуальная задача науки и практики, характеризующаяся желанием повысить экономичность проектных решений, разумеется, не снижая надежности решений. Главный вопрос – насколько далеко можно выйти за пределы линейных зависимостей, не опасно ли это? Именно на этой границе перестают действовать линейные законы и начинают действовать новые законы – нелинейной механики, прочности и проч.

Плитно-свайные фундаменты, применение и перспективы

В продолжение цикла статей о технологии плитно-свайного фундаментостроения, представляем информационную обзорную статью о применении, перспективах и преимуществах развития плитно-свайного фундаментостроения в условиях современного мегаполиса

Экспериментальное исследование основания комбинированного плитно-свайного фундамента

Приводятся результаты наблюдений за распределением и динамикой изменения контактных напряжений (отпора грунта) по подошве комбинированного плитно-свайного фундамента строящегося жилого дома в г. Екатеринбурге

Строительство в водонасыщенных грунтах

В современных условиях плотной городской застройки каждый квадратный метр земли на счету, поэтому строительным компаниям приходится выбирать проектные решения применительно к существующим инженерно-геологическим условиям на площадке.

Страница: 1 2 3 4 5


 

© 2017 ОАО
«Уральский
научно-исследовательский
институт архитектуры и
строительства»

Контакты

тел.: +7 (343) 374-48-50

факс: +7 (343) 378-89-20

Коммерческий отдел:
+7 (343) 365-47-18

e-mail:as-a-uralniias@nlmk.com

620137, Екатеринбург, а/я 330,
ул.Блюхера, 26   [схема прое зда]

www.uralnias.ru