Методическое пособие 787

П.И. Калугин, О.В. Никишова

НАБИВНЫЕ СВАИ В РАСКАТАННЫХ СКВАЖИНАХ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Рассмотрены проблемы, вызывающие необходимость использования способов упрочнения грунта, допустимых к применению в стесненных условиях, описаны особенности устройства и области применения набивных свай в раскатанных скважинах.

Ключевые слова: фундамент, набивная свая, раскатанная скважина.

P.I. Kalugin, O.V. Nikishova

THE CAST-IN-PLASE PILES IN THE ROLLED-OUT WELLS AND

THE AREAS OF ITS APPLICATION

The problem causes the necessity of using of ways of consolidation of soil in narrow conditions is examined, the peculiarities of arrangement and the areas of application of cast-in-place piles in the rolled-out wells is listed.

Keywords: foundation, cast-in-place pile, rolled-out well.

В последние годы центральные районы крупных российских городов интенсивно застраиваются, и вопрос с нехваткой земельных участков начинает вставать достаточно остро. Все чаще строительство осуществляется на участках со слабыми грунтами, использование которых без специальной инженерной подготовки невозможно, проводится переориентация типового строительства на свободных территориях на «точечную» застройку в местах с уже существующими зданиями и сооружениями, действующими транспортными коммуникациями. Реконструкция, усиление, модернизация зданий и сооружений, новое строительство в условиях плотной городской застройки требуют создания соответствующей нормативной базы, внедрения щадящих, экономически эффективных, конкурентно способных технологий, разработки специализированной техники, обучения персонала и т.д.

Одним из наиболее современных методов усиления оснований является устройство набивных свай в раскатанных скважинах.

Раскатка - это непрерывный процесс образования в грунте цилиндрической полости путем его деформации и уплотнения раскатывающим рабочим механизмом. Раскатчик скважины (см. рисунок 1) предназначен для проходки вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин в уплотняемых грунтах и представляет собой ряд установленных на эксцентри-

© Калугин П.И., Никишова О.В., 2009

100

ковом валу конических катков нарастающего диаметра, оси которых смещены и развернуты относительно приводного вала так, что при его вращении они катятся по винтовой линии. Устройство набивных свай в раскатанных скважинах состоит из двух основных технологических процессов: образования коническо-цилиндрической скважины и заполнения её материалом. При передаче валу вращения и продольного усилия катки начинают обкатывать грунт, внедряясь в него и образуя при этом скважину. Такая конструкция позволяет уплотнять грунтовое основание с образованием скважины. Радиус уплотненной зоны зависит от начальной плотности грунта и диаметра катка раскатчика. Скорость проходки может достигать 1 м/мин.

Рис. 1. Конструкция раскатчика скважин

Набивные сваи в раскатанных скважинах классифицируются по конструктивным решениям их устройства:

1)поназначению: несущийэлемент, армирующийэлемент, комбинированныйэлемент;

2)по способу устройства: без бурения лидерной скважины, с бурением лидерной скважины, комбинированный;

3)по расположению: вертикальные, наклонные, горизонтальные, комбинированные;

4)по материалу заполнения: бетонные, бетонные с армированием, грунтовые, щебенистые, шлаковые, комбинированные.

Несущие набивные сваи в раскатанных скважинах воспринимают передаваемую на них нагрузку, имеют жесткую связь с ростверком и армируются отдельными стержнями, каркасами или жесткой арматурой.

Армирующие набивные сваи в раскатанных скважинах предназначены для повышения несущей способности грунтов основания отдельностоящих, ленточных и плитных фундаментов за счёт формирования в сжимаемой зоне массива грунта с заданными прочностными и деформативными характеристиками. Такие элементы чаще всего выполняют без армирования.

Отличительной особенностью армирующих набивных свай от несущих является наличие разделительного слоя из песка средней крупности или щебня, расположенного между подошвой фундамента и верхом сваи. Толщина буферного слоя должна быть не менее половины диаметра раскатанной скважины.

Преимущества раскатчиков скважин перед другими аналогичными машинами (в частности - пневмопробонниками):

-отсутствие вибраций и низкий уровень шума в сравнении с ударными способами проходки;

-отсутствие динамических воздействий на близкорасположенные здания и сооружения; -высокая скорость проходки; -низкая энергоемкость процесса в сравнении с ударным и статическим проколом;

-возможность использования различных видов приводов (механических, электрических, пневматических, гидравлических);

101

-высокая точность направления проходки (отклонение от заданного направления не более 0,3 м на длине 20 м);

-возможность проходки в гравелистых, галечниковых и водонасыщенных грунтах; -исключение вредного воздействия на оператора; -экологическая чистота процесса;

-экономическая эффективность, связанная с сокращением сроков строительства, снижением объемов земляных работ, сокращением привлекаемого для работ специального оборудования и уменьшением задействованных трудовых ресурсов.

Набивные сваи в раскатанных скважинах применяются для:

-усиления оснований фундаментов реконструируемых зданий (см. рисунок 2, а); -преобразования строительных свойств грунтов, в том числе просадочных, пучинис-

тых, намывных, насыпных, набухающих (см. рисунок 2, б); -укрепления земляных сооружений, склонов и откосов (см. рисунок 2, в);

-устройства свайных фундаментов, подпорных стенок и противофильтрационных завес (см. рисунок 2, г).

Рис. 2. Применение набивных свай в раскатанных скважинах, а – усиления оснований фундаментов реконструируемых зданий; б – преобразования строительных свойств грунтов; в – укрепления склонов и откосов; г – устройства свайных фундаментов, подпорных стенок и противофильтрационных завес

Способ усиления основания устройством набивных свай в раскатанных скважинах может применяться на строительных площадках со стесненными условиями, так как предполагает использование оборудования, имеющего небольшую массу и малые габаритные размеры. Отсутствие вибраций, шума и динамических воздействий, а также высокая точность проходки позволяет усиливать основания устройством набивных свай в раскатанных скважинах в условиях плотной городской застройки. Данный способ усиления позволяет не только использовать несущую способность самих свай, но и улучшить физико-механические характеристики грунтового основания за счёт формирования уплотнённой зоны и вовлечения в работу грунта околосвайного пространства.

Библиографический список

1.М.Я. Крицкий, В.К. Свирщевский, Н.Ю. Климов. Внедрение способа раскатки скважин в строительное производство в грунтовых условиях Сибири. Новосибирск, Сибирский государственный университет путей сообщения.

2.Рекомендации по проектированию и устройству набивных свай в раскатанных сква-

жинах. М. – 2000. – 42 с.

102

References

1.M.Y. Krizkiy, V.K. Svircshevsky, N.Y. Klimov. The introduction of ways of rolling-off of wells in building production in ground conditions of Siberia. Novosibirsk, Siberian State University of railways.

2.The recommendations to projecting and organization of cast-in-place piles in rolled-out wells. M. -2000. -42 p.

Н.С. Сова, И.Ш. Алирзаев

ЗАМЕНА НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КАРКАСА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ПРОЧНОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ

Приводится ряд результатов по экспертизе эксплуатируемых зданий и сооружений промышленных предприятий. Рассматривается способ замены металлических ферм каркаса корпуса без приостановки технологического процесса.

Ключевые слова: замена элементов каркаса.

N.S. Sova, I.Sh. Alirzaev

REPLACING BEARING ELEMENTS OF INDUSTRIAL BUILDINGS FRAMES CONSIDERING STRENGTH, STABILITY AND DEFORMATION DEMANDS

The results of analyzing industrial buildings and structures are given. Method of replacing metal girders for frames without interrupting the technological process is considered.

Keywords: replacing frame elements.

При капитальном ремонте промышленных зданий часто возникает необходимость замены поврежденных несущих элементов существующего каркаса без приостановки технологического процесса. Работы по замене поврежденных несущих конструкций требуют более высокой квалификации и опыта исполнителей и более тщательного контроля качества, чем обычные строительно-монтажные работы.

При замене поврежденных несущих конструкций необходимо решить в комплексе

© Сова Н.С., Алирзаев И.Ш., 2009

103

следующие задачи производства работ:

разгружение существующих конструкций посредством передачи нагрузок на временные конструкции;

меры по обеспечению прочности и устойчивости конструкции на всех этапах производства работ, включая указания об устройстве временных опор и раскреплений, и требования к значениям монтажных нагрузок и воздействий;

включение вновь монтируемых элементов в работу;

увязка работ по выполнению замене несущих элементов с технологическим процессом;

меры по обеспечению безопасного производства работ.

В2007 г в процессе обследования стропильных ферм в цехе выделения каучуков завода ОАО "Воронежсинтезкаучук» были обнаружены значительные уменьшения их сечений. Коррозия отдельных элементов составляла 30-40 % их первоначального сечения. На основании зонирования воздушной среды были выделены три зоны по высоте стального каркаса, различающихся по степени разрушения от коррозии [1]. Верхняя зона с сильным разрушениями и большим количеством сквозных отверстий, нижняя зона, в которой сталь почти не разрушается, и средняя зона. Следовательно, в процессе эксплуатации стальные фермы, особенно их горизонтальные элементы, в большей степени поражаются поверхностной коррозией по сравнению с ригелями и колоннами. Сильная степень поражения ферм обусловлена еще и тем, что все элементы ферм имеют относительно небольшие толщины и большие открытые поверхности. Наиболее подверженными коррозии участками являются узкие щели, зазоры, поверхности под головками болтов, гайками, другие участки скопления пыли. На этих участках фактическая продолжительность коррозии больше, чем на открытых поверхностях.

Корпус здания представляет собой прямоугольное здание с размерами в плане 15х75

ми высотой до 20 м со стальным каркасом. Стальной каркас выполнен по рамно-связевой схеме и является основной несущей конструкцией, воспринимающей нагрузку от стеновых панелей, атмосферные нагрузки, нагрузки от крана, технологического оборудования и рабочих площадок. Сопряжение ферм с колоннами осуществлено в шарнирном варианте. Фермы опираются на колонны сверху с использованием дополнительной опорной стойки (надколонника) высотой 1600 мм. Опорные стойки прикреплены к оголовкам колонн сверху на монтажной сварке. Надколонники выполнены переменным двутавровым сечением и состоят из сварной и прокатной частей. Пролет стропильных ферм составляет 15,0 м. Высота ферм на опорах составляет 1,50 (между обушками уголков), а посредине пролета - 1,60 м. Решетки ферм раскосные. Направление опорного раскоса в фермах принято восходящим. Крайние панели ферм выполнены со шпренгельной решеткой. Фермы по верху связаны между собой прогонами и распорками, а в плоскости нижнего пояса горизонтальными связями.

На основе проведенных комплексных работ по обследованию конструкций и проверочных расчетов был предложен вариант замены стальных ферм. В тесном сотрудничестве специалистов ВГАСУ, ООО «Стальконструкция» и ООО «Стройхим» была осуществлена работа по усилению узлов крепления стеновых панелей и замене стропильных ферм. Замена стропильных ферм и покрытия без остановки процесса производства работ велась на отдельных захватках по схеме приведенного на рис. 1.

104

Выше приведенный способ замены стропильных ферм в целом отвечает условиям безопасной эксплуатации каркасных зданий промышленных предприятий. Наиболее важным фактором данного способа является замена ферм без остановки технологического процесса в условиях действующего производства.

Библиографический список

1. Б.К. Немчинов, Н.С. Сова, И.Ш. Алирзаев. Экспертиза строительных конструкций зданий химических предприятий и некоторые способы восстановления их работоспособности /Тез. докл. Первая международная научно-техническая конференция «Оценка риска и безопасность строительных конструкций».-Воронеж,2006.- С.207-210.

References

1. B.K. Nemchinov, N.S. Sova, I.Sh. Alirzaev. Analysis of structural elements for chemical Enterprises and Some Means of Renewing Thetr Operation / Report Abstracts. First International Scientific Cohference in «Risk Evaluation and Building Constructions Safety».-Voronezh, 2007.- p. 207-210.

С.Д. Степанов, В.В. Чаплыгин

ПОДАТЛИВОСТЬ ШВА СОПРЯЖЕНИЯ В СОСТАВНЫХ ПЛИТНО-БАЛОЧНЫХ СИСТЕМАХ КАК ОДИН ИЗ АСПЕКТОВ ЖИВУЧЕСТИ МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ

Рассматривается проблема живучести строительных конструкций, особое внимание уделяется проблеме несовместного деформирования составных конструкций, предлагается использование полуаналитического варианта метода конечных элементов.

Ключевые слова: живучесть, составная система, податливость, полуаналитический вариант, износ.

S.D. Stepanov, V.V. Chaplygin

THE PLIABILITY OF THE SEAM OF JOINING IN THE COMPOSITE PLATEGIRDER SYSTEMS AS ONE OF THE ASPECTS OF THE VITALITY OF BRIDGE CONSTRUCTION

Is examined the problem of the vitality of structures, special attention is paid to the problem of the inconsistent deformation of composite constructions, is proposed the use of a semianalytical version method of the final elements.

Keywords: vitality, composite system, pliability, semianalytical version, wear.

Говоря о проблеме безопасности, следует отметить, что в наше время она стоит особенно остро. Это касается любой сферы деятельности человека, в том числе сферы эксплуа-

© Степанов С.Д., Чаплыгин В.В., 2009

106

тации зданий и сооружений. В каждой отрасли страны сложилась тонкая система взаимодействия, коммуникаций и ресурсообмена, которая развиваясь и укрупняясь, с каждым днем становится сложнее. Но чем крупнее становится структура, тем более уязвима она для внешних воздействий, вызванных как стихийными явлениями природы (наводнения, погодные катаклизмы), так и деятельностью человека (техногенные катастрофы, боевые действия, терроризм). При возникновении аварийных ситуаций возникает риск разрушения налаженных связей, что неизбежно ведет к экономическим потерям, а иногда и человеческим жертвам.

Желание повысить безопасность проектируемых и строящихся объектов привело к понятию живучести. Это способность зданий и сооружений устоять при аварийных воздействиях или, как часто говорят, стойкость к прогрессирующему обрушению. В настоящее время в области расчета и проектирования сооружений и строительных конструкций проблема живучести далека от ее эффективного решения. Поэтому необходимо изучать поведение строительных конструкций, зданий и сооружений и использовать новые, современные алгоритмы для их расчета. [1, 2]

Мостовые сооружения играют большую роль в хозяйственной деятельности страны, их аварии приводят к серьезным последствиям. Возможными причинами аварий могут быть: разрушение подферменника, разрушение связей, пролом плиты, механические повреждения нижнего пояса балок, износ шва сопряжения между составными частями системы и т. п. При расчете и проектировании мостовых сооружений, особенно сложно учесть податливость шва сопряжения, поскольку распространенные методы расчета не дают адекватных результатов.

Для исследования живучести составной плитно-балочной системы предлагается алгоритм, реализующий полуаналитический вариант МКЭ [3]. Сечение каждой балки составляется из плитно-пластинчатых (полки балок и накладная плита) и стержневого (ребро балки) конечных элементов, как показано на рис. 1. В каждом узле КЭ имеется четыре независимых

степени свободы (СС) - ux , uy , uz , x , которые являются неизвестными функциями от про-

дольной координаты x. Моделирование упругого слоя между накладной плитой и балками в составной плитно-балочной системе осуществляется путём приведения всех СС к узлам, расположенным в уровне упругого слоя, с помощью абсолютно жёстких консолей и разделе-

ния СС в направлении оси x на ux и ux с введением распределённой по длине упругой вставки между ними, как показано на рис. 1.

При этом к перемещению ux приводятся СС КЭ пролетного строения, а к ux - на-

кладной плиты. Изменяя жёсткость упругой вставки, можно моделировать различную податливость слоя между плитой и балками. Применив процедуру Галеркина к статическим, фи-

где g – вектор внешних усилий, действующих на КЭ по направлениям СС;

Рис. 1. Моделирование упругого слоя

107

C , q – матрица жёсткости и вектор внешней нагрузки для КЭ, которые вычисляются по формулам:

Получаемые по (2) матрицы жёсткости КЭ соответствуют перемещениям нейтрального слоя (плитно-пластинчатые КЭ) или центра тяжести (стержневые КЭ). Приведение СС к узлам в уровне упругого слоя между полками балок и накладной плитой осуществляется для каждого

узла по формулам переноса СС от центров тяжести КЭ к концу жёсткой консоли:

un Knun* , gn* KnT gn , (4)

где un , gn - часть векторов u и g , соответствующих n-му узлу КЭ относительно его срединной линии или центра тяжести; un* , gn* - то же, для СС на конце консоли; Kn - матрица

преобразования СС, получаемая из геометрической связи перемещений. Матрица KnT в находится из формул приведения внутренних усилий и в силу статико-геометрической аналогии является транспонированной к матрице Kn . Аппроксимирующие функции в поперечном

направлении Фn( y) для плитно-пластинчатых КЭ принимаются: для СС ux , uy - линейными,

для uz и x - кубическими, в виде полиномов Эрмита.

Данный алгоритм был применен для исследования напряженно-деформированного состояния составной плитно-балочной системы на примере моста через р. Оскол в пос. Чернянка Чернянского района Белгородской области, выполненного из секций САРМ. Комплекс расчетов по данной методике показал, что при изменении коэффициента ослабления шва, значительно меняется картина распределения напряжений между частями составной системы. А именно: при уменьшении коэффициента ослабления от 1 (полностью совместное деформирование) до 0 (несовместное деформирование) усилия в нижнем поясе стальных секций САРМ увеличивается на 25-30%, прогибы пролетного строения на 15% (рис. 2), в накладной плите появляются растягивающие напряжения (рис. 3). Это влечет за собой необходимость в дополнительных мерах по обеспечению живучести сооружения.

Рис. 2. Зависимость между коэффициентом ослабления, усилиями в нижнем поясе и прогибами

108