Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса 12
1.1. Краткий обзор существующих способов усиления оснований и фундаментов 12
1.2. Анализ современных способов устройства свайных фундаментов 19
1.3. Экспериментальные и теоретические исследования совместной работы элементов фундаментов при их усилении и устройстве 23
1.4. Анализ исследований влияния низкого ростверка на работу свайного фундамента 31
1.5. Выводы по главе 37
ГЛАВА 2. Теоретические исследования работы элементов кустовых свайных фундаментов при усилении в глинистых грунтах 39
2.1. Анализ инженерно-геологических условий Западной Сибири на примере города Омска 39
2.2. Разработка усовершенствованного способа усиления кустовых свайных фундаментов 56
2.3. Оценка параметров напряженно-деформированного состояния усиливаемого кустового свайного фундамента 58
2.4. Разработка аналитической методики оценки работы сваи при нагружении и разгрузке 63
2.5. Выводы по главе 68
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования работы элементов усиливаемых кустовых свайных фундаментов совместно с глинистыми грунтами 70
3.1. Исходные предпосылки 70
3.2. Методология проведения экспериментов. Инструментальное обеспечение з
3.3. Результаты экспериментальной оценки работы свай при разгрузке. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных 76
3.4. Натурные испытания грунтов штампом при различной скорости загружения основания 86
3.5. Выводы по главе 90
ГЛАВА 4. Практическое использование результатов выполненных исследований 92
4.1. Разработка инженерного метода расчета и проектирования усиления кустовых свайных фундаментов 92
4.2. Опыт внедрения результатов исследования в г. Омске 97
4.2.1. Усиление свайных фундаментов здания по улице Пушкина, 137 97
4.2.2. Усиление свайных фундаментов административного здания по улице 24 Северная, 125а 101
4.2.3. Усиление свайных фундаментов здания бассейна санатория 104
4.3. Оценка экономической эффективности разработанного способа усиления 109
4.4. Выводы по главе
ГЛАВА 5. Повышение несущей способности свайных фундаментов в условиях нового строительства 112
5.1. Совершенствование способа устройства свайных фундаментов 112
5.2. Теоретический анализ работы свайного фундамента совместно с ростверком на грунтовом основании 114
5.3. Экспериментальные исследования свайных кустовых фундаментов с демпфирующими вставками 121
5.3.1. Методология проведения экспериментов. Инструментальное и программное обеспечение 121
5.3.2. Лабораторные испытания демпфирующих вставок 123
5.3.3. Численное моделирование работы свайно-ростверкового фундамента. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований 130 5.4. Алгоритм проектирования и расчета свайных фундаментов с демпфирующими вставками 142
5.5. Перспективы применения свайно-ростверковых фундаментов на примере г. Омска 144
5.6. Выводы по главе 148
Заключение 149
Список литературы
- Экспериментальные и теоретические исследования совместной работы элементов фундаментов при их усилении и устройстве
- Оценка параметров напряженно-деформированного состояния усиливаемого кустового свайного фундамента
- Результаты экспериментальной оценки работы свай при разгрузке. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных
- Усиление свайных фундаментов здания бассейна санатория
Экспериментальные и теоретические исследования совместной работы элементов фундаментов при их усилении и устройстве
Вопросы, связанные с причинами усиления фундаментов и грунтовых оснований, в разное время изучали Ю. М. Абелев [1], М. Ю. Абелев [2], В. А. Богомолов [14], Ф. Е. Волков [18, 19], Н. М. Глотов [60], М. И. Горбунов-Посадов [61], Б. И. Далматов [29-32], П. А. Коновалов [39, 40], А. И. Мальганов в соавторстве с В. С. Плевковым и А. И. Полищуком [48, 49], Л. В. Нуждин [59], А. И. Полищук [74-76], В. Г. Симагин [84], Е. А. Сорочан и Ю. Г. Трофименков в соавт. [62], А. Г. Тамразян с соавторами [87], В. М. Улицкий [126], С. Б. Ухов [128], Н. А. Цытович [130, 131], В. Б. Швец в соавт. с В. И. Феклиным и Л. К. Гинзбургом [135], К. Avellan [140-142], R. L Terrel [144], J. Teymourian [145], E. White [146] и другие отечественные и иностранные ученые. Были разработаны различные классификации причин, обуславливающих необходимость усиления фундаментов и оснований. Основными факторами, приводящими к необходимости усиления, являются: изменения условий эксплуатации строений (в том числе геологических и гидрогеологических); ухудшение физико-механических характеристик грунтов основания, в том числе вследствие наличия специфических свойств (просадочных, набухающих) оснований и т.п.; увеличение нагрузок на конструктивные элементы здания; необходимость восполнения утрат от физического износа; ошибки при выполнении изыскательских работ, проектировании и строительстве зданий и сооружений; воздействие динамических, сейсмических нагрузок и т.д..
До настоящего времени разработаны различные способы усиления оснований и фундаментов. Поскольку фундамент необходимо рассматривать в неразрывной связи с грунтовым основанием, известные способы усиления можно разделить на две большие группы, предусматривающие улучшение свойств основания посредством различного воздействия на грунты, либо изменение характеристик самого фундамента.
Ниже рассмотрены характерные особенности различных способов усиления грунтовых оснований.
1) Одним из распространенных способов улучшения характеристик основания является способ замены грунта основания, применяемый при наличии слабых сильно сжимаемых грунтов в основании фундамента [1, 41]. Способ предусматривает экскавацию требуемого объема грунта слабого слоя, послойную засыпку песком или щебнем с последующим трамбованием слоев. Основным достоинством способа замены грунта являются значительное снижение осадок оснований фундаментов, уменьшение объема используемого бетона на устройство фундамента, уплотнение нижележащих грунтовых слоев. Недостатки данного способа - большой объем земляных работ, необходимость предохранения грунтов от промерзания, значительное удорожание при ведении работ в обводненных грунтах, увеличение сроков строительства. Применительно к свайным фундаментам способ практически не применяется ввиду необходимости замены грунтов на большую глубину, а также практической невозможности замены грунта вокруг существующих свай.
2) Способы уплотнения грунтов: поверхностное и глубинное уплотнение, виброуплотнение, уплотнение взрывным методом, уплотнение насыпями, уплотнение вертикальными элементами [58]. Способы применяются для уплотнения просадочных грунтов, рыхлых песчаных грунтов. Технология способов уплотнения предусматривает изменение физико -механических характеристик за счет трамбования и повышение прочностных и деформативных характеристик основания [1].
Главное достоинство способов уплотнения - возможность устранения специфических свойств грунтов. Среди недостатков подобных способов отмечаются неэффективность в слабых водонасыщенных грунтах, характерных для регионов Западной Сибири; нецелесообразность применения в пучинистых грунтах; практическая невозможность применения в условиях действующего сооружения; наличие динамических воздействий, которые могут негативно повлиять на окружающую застройку.
3) Инъекционные способы закрепления грунтов: силикатизация, смолизация, цементация, защелачивание и др.. Изменение характеристик грунтов происходит либо вследствие возникновения химической реакции между растворами крепителя и отвердителя, либо под действием нагнетаемого цементного, цементно-песчаного или цементно-глинистого раствора. Растворы нагнетают в грунт через инъекторы или инъекционные скважины под давлением 0,6... 1,0МПа. Инъекторы при усилении оснований устанавливают с шагом 0,3... 1,0м в зависимости от характеристик укрепляемого грунта [41, 79, 82]. Основным достоинством инъекционных способов являются возможность выполнения работ в условиях реконструкции. Главными недостатками считаются высокая стоимость работ, затруднения при контроле равномерности распределения нагнетаемого материала по глубине и в плане. Кроме того, в случае свайных фундаментов эффект усиления может достигаться только до обеспечения такого состояния фундамента, при котором несущая способность сваи по грунту будет равна несущей способности сваи по материалу.
4) Способы термического закрепления грунтов - предусматривают увеличение прочностных характеристик за счет глубинного обжига либо за счет искусственного замораживания. Преимущественно способ глубинного обжига применяют в просадочных грунтах. Основными недостатками данных способов являются высокая стоимость работ, большой расход энергии и материалов [41].
5) Технология замораживания грунта. Эффект достигается за счет понижения температуры воды находящейся в порах грунта, и ее дальнейшего смерзания с грунтовыми частицами. При этом грунт переходит в мерзлое состояние, происходит увеличение прочности грунтового массива [41].
Несмотря на то, что данный способ применим для водонасыщенных глинистых грунтов, он не нашел широкого применения при реконструкции зданий и применяется в особых случаях. Основным недостатком технологии замораживания при усилении является крайне высокая стоимость работ, а также потеря полученного эффекта в случае прекращения подачи хладогента.
Оценка параметров напряженно-деформированного состояния усиливаемого кустового свайного фундамента
Степень включения дополнительного ростверка в совместную работу с фундаментом контролируется усилием в расклинивателях, а надежность усиления достигается длительным (не деля... месяц) наблюдением за процессом стабилизации усилий расклинивания и осадками основания. Расклинивание производится ступенчато в зависимости от свойств грунтов основания.
Новизна конструктивного решения усиления свайных фундаментов защищена патентом (Приложение 1). Разработанный способ предназначен для усиления кустовых свайных фундаментов зданий в случае, если под усиливающим ростверком отсутствуют грунты, обладающие специфическими свойствами. При наличии слабых грунтов в активной зоне усиливающего ростверка возможно комбинированное использование разработанного способа с предварительным закреплением слабых грунтов.
Оценка параметров напряженно-деформированного состояния усиливаемого кустового свайного фундамента
В процессе усиления кустового свайного фундамента способом включения дополнительного ростверка в работу с основанием происходит перераспределение усилий между существующими сваями, усиливающими элементами и грунтовым основанием. Это приводит к возникновению сложного напряженно-деформированного состояния усиливаемого свайного фундамента. Ситуацию осложняет характер работы фундамента в период усиления, а именно возникновение дополнительных осадок грунтов основания под усиливающим ростверком и свайного куста за счет обжатия грунта под дополнительным ростверком. Таким образом, усиливаемый фундамент совместно с элементами усиления и основанием следует рассматривать как статически неопределимую систему, т.е. определять усилия между элементами с учетом деформаций системы. Для разработки дальнейшей методики назначения усилий в расклинивателях и выбора оптимальной стадийности усиления свайных фундаментов необходимо оценить напряженно-деформированное состояние кустового свайного фундамента и его основания.
Способ усиления кустовых свайных фундаментов с помощью включения в работу дополнительного фундамента на естественном основании предполагает производство работ в несколько основных этапов, в процессе которых изменяются нагрузки на элементы системы усиливаемого фундамента. В качестве исходных данных для оценки параметров напряженно-деформированного состояния усиливаемого фундамента принимаются известные параметры: - инженерно-геологические условия площадки, включая состав грунтов, их распределение в литологическом разрезе; - показатели физико-механических характеристик грунтов; - результаты статических испытаний сваи вдавливающей нагрузкой в виде графика «нагрузка-осадка»; соотношение передаваемых нагрузок между сваями и новым усиливающим ростверком.
Расчетная схема кустового свайного фундамента при усилении и схема к расчету осадок основания приведены на рисунке 2.7. В процессе усиления свайного фундамента происходит перераспределение усилий между существующими сваями и основанием ростверка, усиливающего фундамент. При усилении выделяются 3 основных этапа.
Схема свайного фундамента при усилении: а) распределение усилий и напряжений; б) осадки основания условного фундамента; т - сопротивление грунта по боковой поверхности сваи, кПа; сОСт - напряжения под нижними концами свай, кПа; агрг - напряжения в грунте под усиливающим ростверком, кПа; Ni - нагрузка на фундамент, кН; Ncei - усилие в свае до усиления, кН; NpaCK - усилие в расклинивателе, кН; b, bi - ширина условного фундамента до и после усиления соответственно, м; Ар, Агр - осадки ростверка и грунта, м 2 этап: работа фундамента в процессе усиления. При выполнении усиления происходит частичная разгрузка свай и передача определенной доли усилий через расклиниватель на грунтовое основание дополнительного усиливающего ростверка:
График работы сваи при усилении: [N] - предельная нагрузка на сваю, кН; [А] - предельная осадка сваи, м 3 этап: после максимального включения в работу усиливающего ростверка и приложения проектной нагрузки на фундамент. В предельной стадии несущая способность усиленного фундамента суммируется из: - предельно допускаемой расчетной нагрузки на сваю; - предельных давлений, воспринимаемых основанием. Для возможности определения осадок основания с применением теории линейного деформирования грунта под ростверком вводится необходимое ограничивающее условие: напряжения в грунте под ростверком згрі не должны превышать расчетного сопротивления грунта ( згрі R).
Необходимо отметить, что теоретически давления на основание могут превысить расчетное сопротивление грунта. В таком случае предельная нагрузка на основание будет ограничиваться несущей способностью грунта Nu. Однако, повышенные давления на основания могут иметь ряд негативных последствий, а именно: - трудно прогнозируемое развитие осадок основания под усиливающим ростверком, в связи с чем необходимо выполнять расчет по методике за пределами линейной зависимости между давлениями и деформациями и устанавливать дополнительное наблюдение за осадками фундамента; - возможность возникновения нестабилизированного состояния в случаях, когда под ростверком залегают мягко- и текучепластичные глинистые грунты (характерно для Сибири), что может негативно отразиться на работе основания и привести к непрогнозируемым деформациям.
Основной проблемой учета перераспределения усилий между элементами усиливаемого свайного фундамента является неопределенность фактической работы свай в условиях разгружения, т.е. определение перемещений сваи при разгрузке фундамента Aip.
Зависимость между осадками сваи и нагрузками, приходящимися на нее, наиболее полно отражают статические испытания свай. По результатам выполненных испытаний получают классический график, отражающий зависимость осадки сваи от испытательной нагрузки. Анализ многочисленных результатов статических испытаний свай (архивных данных), выполненных в глинистых грунтах, показал, что данную зависимость с достаточной степенью точности (i?2 = 0,98) отражает логарифмическое или экспоненциальное уравнения. Для удобства дальнейших действий график «нагрузка-осадка» для сваи аппроксимирован эллиптической зависимостью. Аналитическое выражение для осадки сваи в /-й точке [118]:
Результаты экспериментальной оценки работы свай при разгрузке. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных
Здание бассейна является пристройкой к основному зданию санатория-профилактория в Советском административном округе г. Омска. Пристройка двухэтажная с подвальным этажом под всей площадью. Конструктивная схема здания представлена неполным железобетонным каркасом. Фундаменты колонн кустовые свайные, кусты состоят преимущественно из 5-ти забивных свай С60.30. Торцевая стена кирпичная, выполнена на ленточном свайном фундаменте с однорядным размещением свай (шаг 1,2 м). Под чашу бассейна устроены кустовые 2-х свайные фундаменты с применением аналогичных свай.
В процессе эксплуатации здания в 2009г. была произведена замена старой чаши бассейна на новую увеличенных размеров. После демонтажа старой чаши была смонтирована балочная клетка, включающая главные (из швеллеров №30) и второстепенные (швеллера №27) стальные балки из прокатных швеллеров. При выполнении строительных работ опирание главных балок было выполнено на 2-х свайные кустовые фундаменты, а также на кладку торцевой изначально самонесущей стены (рисунок 4.7).
После устройства монолитной железобетонной чаши и продолжения эксплуатации здания в торцевой стене стали проявляться трещины. По результатам выполненных в 2013г. обследований здания зафиксированы вертикально ориентированные трещины в угловых частях шириной раскрытия свыше Змм. Данные журнала наблюдений за трещинами свидетельствуют, что раскрытие трещин начало происходить после замены чаши бассейна и постепенно продолжалось вплоть до момента обследований. Попытки эксплуатационных служб исправить ситуацию за счет установки стальных и кирпичных подпорок под главные балки для разгрузки фундамента стены оказались неэффективны. Дальнейшее развитие трещин могло привести к возникновению аварийной ситуации и опасности обрушения несущих конструкций.
Проектировщиком (ООО «Замок») совместно с автором диссертации было принято решение по использованию в проекте разработанного способа усиления кустовых фундаментов. Сущность технологии в данном случае заключается в разгрузке фундамента торцевой стены путем выполнения ряда мероприятий [121]:
1. Между фундаментом торцевой стены и крайними фундаментами чаши бассейна устраивается новый монолитный железобетонный фундамент на естественном основании. Размеры подошвы фундамента 0,8 х 5,8 м, глубина заложения 0,7м от уровня пола подвала. Данный фундамент предназначен для восприятия усилий от главных балок. Размеры фундамента назначены исходя из расчетного сопротивления грунта основания.
2. Подклиниваются зазоры между главными балками и ростверками, тем самым обеспечивается проектная неразрезная схема работы балок и определяется фактическая нагрузка, которую необходимо передать на элементы усиления. Устраиваются зазоры между стеной, боковыми гранями и верхней частью главных балок, заделанных в кирпичную торцевую стену для обеспечения свободного опирання балки на кладку.
3. На новый фундамент устанавливаются винтовые домкраты под каждую из главных балок. Каждый расклиниватель состоит из нижних и верхних опорных листов и 4-х распорных болтов (рисунок 4.9).
4. Для контроля перемещений используются индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм. Приборы устанавливаются на обе главные балки в местах опирання на торцевую стену и в пролете между свайным и усиливающим фундаментом.
5. В домкратах создается предварительное усилие расклинивания при опорожненной чаше бассейна (рисунок 4.10). Для наращивания усилий в домкратах применяется динамометрический ключ. После наступления относительной стабилизации осадок производится дальнейшее поэтапное наращивание усилий в домкратах с заполнением бассейна водой. фундаментов бассейна и усиливающего фундамента мелкого заложения. После создания расчетного усилия в домкратах и стабилизации осадки фундамента главная балка срезается в месте опирання на торцевую стену.
Выполнение вышеуказанных мероприятий по усилению фундаментов позволило: - разгрузить фундамент торцевой стены и предотвратить дальнейшее раскрытие трещин в стенах; - произвести работы в максимально короткий срок (работы выполнены в период технологического слива воды из чаши бассейна для промывки), т.е. избежать дополнительных затрат, сверхнормативного перерыва в эксплуатации и неудобств для отдыхающих санатория; - обеспечить проектный результат усиления [121]. Дальнейшее наблюдение показало, что осадки свайного фундамента торцевой стены стабилизировались, раскрытие трещин в стенах здания после усиления фундаментов прекратилось (акт внедрения приведен в приложении 4).
Преимущество разработанного способа усиления свайного кустового фундамента может быть продемонстрировано в сравнении с усилением аналогичного фундамента методом химического закрепления грунта. Для примера принят 4-х свайный куст из свай С60.30 в текучепластичных суглинках, усиленный на объекте по ул. Пушкина, 137.
Согласно сметного расчета, выполненного при разработке проекта реконструкции здания, стоимость укрепления грунта для рассматриваемого фундамента с учетом округления и перевода цен к уровню 1-го квартала 2014г., составляет 140 000 руб.
Для сравнения при проектировании была подсчитана стоимость материалов и работ по усилению рассматриваемого фундамента способом включения ростверка, разработанным в рамках диссертационной работы. Следует отметить, что отдельных сметных нормативных документов для расчетов сметной стоимости усиления фундаментов способом включения ростверка, не разработано. Поэтому при подсчете стоимостей принимались расценки, наиболее близкие к выполняемым технологическим операциям
Усиление свайных фундаментов здания бассейна санатория
За счет увеличения несущей способности фундамента существует два возможных случая при проектировании: увеличение этажности здания либо сокращение количества свай.
В первом случае оценить экономический эффект весьма сложно вследствие необходимости учета большого количества факторов. Для наглядности экономический эффект можно продемонстрировать для второго случая. Стоимость одной сваи С100.30-6 в текущих ценах в г. Омске составляет 6 500 руб. (соответственно, стоимость 1000 свай составит 6 500 000 руб.). За счет увеличения несущей способности возможно сокращение количества свай на 30%, т.е. достаточно запроектировать 700 свай для фундамента. Тем самым, стоимость свайно-ростверкового фундамента составит: 700 х 6 500 руб. + 130 000 руб. = 4 680 000 руб., т.е. экономический эффект может составить 28%. Безусловно, снижение количества свай приведет к необходимости устройства дополнительного армирования ростверка при увеличении шага свай. Однако, главную роль стоимость выполнения работ и их трудоемкость, которые в случае классического фундамента существенно выше. 5.6. Выводы по главе 1. Разработан усовершенствованный способ устройства кустовых свайных фундаментов для нового строительства, позволяющий увеличить несущую способность фундаментов посредством передачи давлений на грунт основания через подошву ростверка с использованием защищенных демпфирующих вставок. 2. Рассмотрены параметры напряженно-деформированного состояния кустового свайного фундамента с учетом наличия демпфирующей вставки. Определен ряд граничных условий совместности работы элементов свайно ростверкового фундамента, разработана система разрешающих уравнений для расчета фундамента. 3. В результате лабораторных экспериментов установлен фактический характер работы образцов пенополистирола различных марок в полном диапазоне напряжений, которые возможны при работе свайно-ростверкового фундамента. Испытание образцов на сжатие позволило выявить предельное деформирование пенополистирола до 98% изначальной толщины, что удовлетворяет разработанным теоретическим положениям. Диаграмма работы пенополистирола, полученная экспериментально, соответствует необходимому графику работы демпфирующей вставки, разработанному при теоретических исследованиях. 4. Численные эксперименты показывают, что при использовании демпфирующих вставок несущая способность кустового свайного фундамента в глинистом грунте увеличивается до 30% в сравнении со свайным фундаментом, работающим без демпфирующих вставок. 5. Разработан алгоритм расчета и показаны перспективы внедрения свайно ростверковых фундаментов на примере г. Омска.
1. Усовершенствован способ усиления кустовых свайных фундаментов реконструируемых зданий, предусматривающий регулируемую передачу давлений на грунт основания путем включения в работу дополнительно устраиваемой монолитной железобетонной плиты под подошвой ростверка. Способ предназначен для усиления свайных кустовых фундаментов в глинистых грунтах и обеспечивает повышение несущей способности до 45%.
2. На основании теоретических исследований элементов системы «низкий ростверк - куст свай - грунтовое основание» установлены аналитические зависимости и параметры напряженно-деформированного состояния, характеризующие работу усиливаемого кустового свайного фундамента в глинистых грунтах на всех стадиях усиления. Разработанная и экспериментально подтвержденная аналитическая методика позволяет оценить работу разгружаемых свай при любом уровне нагрузки с точностью до 7%.
3. В результате натурных экспериментальных исследований работы элементов усиливаемых свайных фундаментов установлено изменение коэффициента жесткости сваи в глинистом грунте на разных стадиях нагружения и разгрузки с точностью до 13%. Экспериментально подтверждено, что разработанная методика оценки работы свай позволяет определить значения остаточных перемещений сваи при разгрузке, степень расхождения экспериментальных и теоретических данных 8%. На основании экспериментальных исследований определена оптимальная скорость нагружения расклинивателей и величина ступеней давлений на дополнительную усиливающую плиту из условия физико-механических характеристик грунтов основания.
4. Разработан инженерный метод расчета усиления кустовых свайных фундаментов, позволяющий оценить повышение несущей способности свайных фундаментов, запроектировать усиление и назначить технологию производства работ. Метод предусмотрен для практического применения в условиях реконструкции и восстановления зданий. Накоплен положительный опыт успешного применения разработанного метода расчета и конструктивного решения при реализации усиления кустовых свайных фундаментов нескольких реконструированных зданий.
5. Разработан способ устройства кустовых свайных фундаментов зданий в условиях нового строительства, позволяющий увеличить их несущую способность за счет регулируемой передачи давлений на грунт основания под подошвой ростверка через демпфирующие вставки. Установлена система разрешающих уравнений и разработан алгоритм расчета, позволяющие запроектировать свайный кустовой фундамент с демпфирующими вставками. Проведены лабораторные исследования пенополистирола демпфирующих вставок в полном диапазоне предполагаемых напряжений. Численно реализована конечно-элементная модель предложенного кустового свайного фундамента и установлено повышение несущей способности на 30% при его устройстве в глинистых грунтах.
Дальнейшие исследования по тематике диссертации планируются в направлении расширения области применения разработанных решений, уточнении методов расчета и внедрения технических решений в практику строительства и реконструкции зданий.
