Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

рительным напряжением грунтового основания под всей площадью застройки объекта (рис. 2) [2].

Рис. 1. Схемы типичных геологических разрезов Тюменской области: а, б, в, г, д, е – схемы геологических разрезов;

1-растительный слой; 2-слабый грунт; 3-плотный грунт; 4-заторфованный грунт или торф

Рис. 2. Фрагмент ленточного свайного фундамента с предварительным напряжением грунтового основания:

1 – пологая армированная оболочка; 2 – криволинейное искусственное основание; 3 – ленточный ростверк; 4 – свая; 5 – несущие стены; 6 – пленка; 7 – армирующая сетка оболочки; 8 – инъектор; 9 – естественное основание.

Данный вид фундаментов существенно отличается от известных комбинированных фундаментов, которые в настоящее время широко применяются во всем мире и исследованию которых посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых [3, 4, 5]. Основные отличия предлагаемых фундаментов от комбинированных свайно-плитных фундаментов (КСПФ) состоят в том, что, во-первых, сваи расположены не под всей площадью здания с определенным шагом в двух направлениях, а четко под силовыми линиями нагружения (несущими стенами, колоннами). Во-вторых, принципиальное отличие от КСПФ заключается в предварительном напряжении грунтового основания в пролетной части между ленточными свайными фундаментами путем опрессовки раствором щебеночной криволинейной подготовки (п. 2 рис. 2), находящейся между грунтовым основанием (п. 9 рис. 2) и пологой оболочкой (п. 1 рис. 2) на определенном этапе возведения здания. При этом достигается двойной эффект: уплотняется грунтовое основание, умень-

491

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

шается его сжимаемость в активном слое, и обжимается боковым давлением верхняя часть свай, что приводит к увеличению их несущей способности.

Для адекватного прогноза взаимодействия представленных фундаментов с грунтовым основанием необходимо представить технологическую последовательность их возведения. Разрабатывается котлован до планировочной отметки естественного основания. Выполняется устройство свай с арматурными выпусками. Разрабатываются траншеи под ростверки. Выставляется опалубка, и устанавливаются арматурные каркасы в ростверках с арматурными выпусками в стены. Между ростверками по грунтовому основанию укладывается пленка. Производится установка перфорированных иньекторов. Планируется искусственное криволинейное основание из минеральных материалов. Устанавливается армирование оболочки в виде криволинейных стержней. Выполняется бетонирование оболочек по поверхности искусственного основания и бетонирование ростверков. Производится заполнение искусственного основания цементным раствором под давлением через перфорированные иньекторы.

В настоящей статье приняты следующие допущения и опущены следующие важные факторы, влияющие на точность расчета и требующие дополнительных исследований:

Рассматривается плоская задача в силу применения ленточных свайных фундаментов.

Не рассматриваются особенности взаимодействия с грунтовым основанием крайних ленточных свайных фундаментов.

Не учитываются улучшения строительных свойств грунтового основания в активной зоне работы фундамента при предварительном напряжении.

Не учитывается дополнительное боковое обжатие свай при предварительном напряжении, повышающем их несущую способность.

Работа свай в составе ленточного фундамента рассматривается как одиночной из условия b 3d.

Аксонометрическая схема расчетной области представлена на рис. 3. Расчетная схема представляет собой, в первом приближении, ленточ-

ные свайные фундаменты, объединенные между собой плитами переменной жесткости и загруженные по «силовым» осям распределенной нагрузкой p1

иp2. Основание моделируется гипотезой Винклера (модель «местных упругих деформаций»). При этом в пролетной части основание моделируется уп-

ругими связями (коэффициентом постели К1), отражающими поведение грунтового основания под плитой, под силовыми линиями коэффициентом

К2, отражающим поведение свай под нагрузкой (рис. 4). Сваи находятся только под силовыми линиями, их шаг b 3d.

492

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 3. Аксонометрическая схема расчетной области ленточных свайных фундаментов с предварительным напряжением грунтового основания.

Рис. 4. Расчетная схема ленточного свайного фундамента, объединенного плитами переменной жесткости на основании метода «местных упругих деформаций»

По предлагаемой методике с учетом принятых допущений расчет состоит из 2-х стадий:

1. Осадки плиты S ≤ Sсрыва сваи. На этом участке глубина сжимаемой толщи мала, работу свай можно учитывать в полной мере пропорционально

их жесткости (рис.5).

2. Осадка плиты S > Sсрыва сваи. Перемещение свай равно осадке фундамента, при этом их жесткость уменьшается за счет выключения из работы

верхней части, попадающей под влияние деформирования грунтового основания от объединяющей плиты переменной жесткости с накоплением верхней частью основания осадки равной осадке «срыва» свай (рис. 5).

493

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 5. Работа сваи на первой (а) и второй (б) стадиях расчета фундамента.

Таким образом, на первой стадии коэффициент жесткости сваи соответствует ее несущей способности и является постоянным, на второй он переменный.

Для рассмотрения данного метода расчета был выполнен пример решения задачи по прогнозу осадки ленточных свайных фундаментов с предварительным напряжением грунтового основания в плоской постановке

(рис. 6).

494

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Расчет выполнялся в следующей последовательности:

1. Находим среднюю осадку фундамента без свай методом послойного суммирования по СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений»:

При среднем давлении P = 200 кПа расчетная осадка плиты составила порядка 28,5 см. Нормативная осадка [S] = 15 см.

2.Решаем обратную задачу. Находим давление, соответствующее

[S]= 15см: p’плиты = 105,3кПа.

Дефицит жесткости основания в пересчете на pср, исходя из расчета осадки, составляет 94,7 кПа. Для восприятия нагрузки, соответствующей этому давлению, устраиваем сваи, принимая их сообразно восприятия нагрузке, соответствующей pср = 94,7 кПа.

3. Определяем коэффициенты постели под объединяющими плитами переменной жесткости и свай, как упругоподатливых опор.

4. Строим эпюру распределения коэффициентов постели К, находим

их ширину распределения b (рис. 7).

Аэппл=Кпл*В;

Аэпсв= Аэппл* Kпл ;

Kсв

Aэп

b св , где n – количество свайных рядов.

Ксв n

6. Используя численное моделирование, например, программный комплекс SCAD, находим среднее давление pср1, при котором осадка фундамента

будет равна осадке, соответствующей срыву сваи. Осадка срыва сваи Sсрыва должна устанавливаться по результатам статистической обработки данных

значительного количества испытаний для подобных инженерно-геоло- гических условий, и в рамках данной работы условно принята Sсрыва = 30 мм.

рср1 = 47кПа (см. рис. 5).

То есть при этом давлении осадка с учетом начальных жесткостей составит 30 мм и при этом уменьшение жесткости отдельных элементов системы не произойдет.

495

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 7. Эпюры распределения коэффициентов постели исследуемого фундамента

При дальнейшем увеличении нагрузки изолиния S = 30 мм переместится от подошвы плиты в грунтовое основание (рис. 6, б), что приведет к «выключению» из работы части сваи, находящейся выше этой изолинии.

6.Из общего давления на фундамент P=200кПа вычитаем Рср1=47кПа

иделим, например, на 5 частей для стадийного расчета.

p= 200 47 30,6кПа. 5

7. Рассчитываем осадку на каждой ступени, поэтапно выключая верхнюю часть свай на глубину, при которой деформирование грунтового осно-

вания превышает Sсрыва сваи = 30 мм. Как следствие, несущая способность свай уменьшается, снижая их коэффициент жесткости.

Полученная зависимость осадки от давления представлена на рис. 8. Согласно расчету, осадка S = 214 мм. Для соблюдения условия непре-

вышения нормативной осадки [S], используя итерационные приближения, необходимо увеличить жесткость свай за счет увеличения их длины, сечения или расстановки в плане.

Расставив сваи в шахматном порядке, и тем самым увеличив несущую способность свайной ленты на 1 м.п. (в данном случае в 1,5 раза), получаем фундамент (п. 4 рис. 9), удовлетворяющий нормативным требованиям.

496

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 8. График «давление-осадка» исследуемых ленточных свайных фундаментов, согласно предлагаемой методике.

Рис. 9. Графики «давление-осадка»:

1 – пересчитанные сваи, 2 – плита; 3 – ленточный свайный фундамент (начальный график); 4 – ленточный свайный фундамент (расстановка свай в шахматном порядке).

497

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Литература

1.Тетиор, А.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала

иТюменской области/ А.Н. Тетиор. – Свердловск: Средне Уральское издательство, 1971. – 91с.

2.Тер-Мартиросян З.Г., Пронозин Я.А., Степанов М.А. Обоснование использования свайно-оболочечных фундаментов с предварительно напряженным грунтовым основанием // Основания, фундаменты, механика грунтов. Сер.: Механика грунтов. – № 4, 2012. – С. 2 – 6.

3.Готман Н.З. Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала: Дис. на соискание док. техн. наук. М. – 2004г. – 348с.

4.Hanisch J., Katzenbach R., Konig G. Kombinierte Pfahl-Plattengriindung / In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis «Pfahle» der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik (DGGT). Ernst & Sohn, 2002.

5.Poulos H.G. Piled-raft foundations – design and applications // Geotechnique. 2001. V. 50. № 2. P. 95-113.

УДК 624.159

В.С. Шокарев, И.В. Степура, А.В. Шокарев

(НИИСК, г. Запорожье, Украина),

Р.В. Самченко, И.Д. Павлов, А.И. Юхименко

(ЗГИА, г. Запорожье, Украина)

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ГРУНТА ПРИ ВЫРАВНИВАНИИ ЗДАНИЙ

Дана краткая характеристика геотехнических процессов в сложных грунтовых условиях Украины. Показаны основные причины кренов зданий и сооружений и их последствия. Приведена геотехническая и расчетная модели грунтового основания, соответствующая физическому состоянию грунта под подошвой ленточного фундамента, подрабатываемого горизонтальными цилиндрическими скважинами. Предложена методика расчета и контроля параметров системы «подрабатываемое грунтовое основание – ленточный фундамент с креном».

Ключевые слова: крен, модель, расчетные параметры, мониторинг.

Введение

Строительство и эксплуатация зданий, сооружений на территориях стран входящих в Содружество независимых государств в большинстве случаях ведется в сложных инженерно-геологических условиях. К категории сложных грунтовых условий относятся территории, где в результате развития деформационных или динамических процессов в грунтах, возникает опасность повреждения или разрушения зданий.

В последнее десятилетие на территории Украины в результате действия природных и техногенных факторов (глобальное изменение климата,

498

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

массовое закрытие шахт, накопление промышленных и бытовых отходов, ухудшения технического состояния водопроводно-канализационных и теп- лоэнерге-тических систем) обострилась проблема эколого-техногенной безопасности промышленно-городских агломераций. Последние данные мониторинговых наблюдений свидетельствуют о тенденции к активизации этого негативного природно-техногенного процесса в пространственно-временном масштабе и увеличения, в первую очередь, площадей подтопления, а также просадочных и других опасных явлений. Соответственно в процессе эксплуатации зданий, под влиянием вышеуказанных факторов, изменяется и формируется соответствующее новое напряженно-деформированное состояние (НДС) системы «основание-фундамент-верхнее строение». Во многих случаях это приводит к повреждению строительных конструкций, возникновению аварийных ситуаций и существенному снижению надежности зданий.

Всвязи с увеличением этажности городской застройки актуальной является проблема защиты высотных зданий от кренов. Вследствии сверхнормативных кренов зданий может произойти их обрушение, замыкание деформационных швов между смежными строениями, разрушение отдельных строительных конструкций или образованием в них трещин, отказ в работе технологического оборудования (лифтов и т. д.). Сегодня в Украине более 80 зданий в г.г.Запорожье, Днепропетровск, Донецк, Ялта, Симферополь, Гурзуф, Одесса и др. получили сверхнормативные крены и требуют выполнения работ по их выравниванию. Основными причинами формирования сверхнормативных кренов зданий и сооружений являются: неверная оценка инженерно-геологических условий площадки строительства; снижения технического уровня проектирования, строительства зданий и сооружений; невыполнение мониторинга строительного объекта на всех этапах его жизненного цикла; нарушение (невыполнение) правил эксплуатации зданий и сооружений.

ВНИИСКе на протяжении последних 35 лет разрабатываются технологии управления высотным положением зданий и сооружений, что позволяет обеспечивать качественное проведение натурных экспериментов на зданиях с различными конструктивными схемами и выполнять защиту эксплуатируемых зданий и сооружений.

1.Геомеханическая и расчетная модели системы «подрабатываемое грунтовое основание – ленточный фундамент с креном»

Главной проблемой при разработке проектных решений для устранения кренов зданий, путем локальной горизонтальной подработки грунтового основания, является обеспечение геотехнической безопасности строительного объекта. Прогнозирование технологических осадок и крена здания выполняется с использованием современных методов теоретической и прикладной

499

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

геомеханики, а также с учетом особенностей устройства котлована, бурения скважин.

Для повышения надежности прогноза напряженно-деформированного состояния системы «основание – ленточный фундамент с креном» необходимо: выполнить в необходимом объеме инженерно – геологические изыскания; выбрать расчетную геомеханическую модель грунтового массива, соответствующую физическому состоянию подрабатываемого грунта и конструктивным особенностям фундаментов; определить параметры деформируемости слоев грунтового массива и напряжения в грунтовом основании, учитывающие особенности бурения горизонтальных цилиндрических скважин; использовать адекватные методы численного моделирования напряженнодеформируемого состояния грунтового основания, позволяющие учитывать характер его структурного состояния, в т.ч. в процессе производства работ.

Для разработки геомеханической и расчетной моделей системы «подработанный грунтовый массив (основание) – фундамент с креном» исследовалась общая закономерность деформирования подрабатываемого грунтового основания, и в частности, контура цилиндрических скважин, Для этого были выполнены многочисленные натурные эксперименты в процессе устранения сверхнормативных кренов зданий (табл. 1).

Таблица 1

Опыт устранения кренов зданий с использованием технологии горизонтальной подработки грунтового основания цилиндрическими скважинами

При разработке геомеханической модели грунтового массива и расчетной модели подрабатываемого грунтового основания приняты следующие допущения: разрушение грунта под подошвой ленточного фундамента происходит в локальных областях между рядом расположенными цилиндрическими скважинами; механизм разрушения грунта связан со сдвиговыми деформациями происходящими при нагрузках больших предельного сопротивления грунта; фракции разрушения грунта в целиках перемещаются в полость скважины. На основании выполненных исследований предложена геомеханическая модель системы «подрабатываемый грунтовый массив – ленточный фундамент с креном», которая позволяет выделить основные физические процессы формирования напряженно-деформированного состояния в данной системе (рис. 1).

500