Распределение нагрузок в свайно-плитных и усиленных сваями фундаментах

132

Техника и технологии

Библиографический список

1. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Н. Н. Кошкин. - М. : Машиностроение, 1976. - С. 297-336.

2. Теория холодильных машин и тепловых насосов / Т В. Морозюк. - М. : Студия «Негоциант», 2006.- С. 537-552.

3. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта / Е. Т Бартош. - М. : Транспорт, 1985.- С. 180-213.

4. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г. Н. Данилова, С. Н. Богданов. -М. : Машиностроение, 1986. - С. 62-175.

5. Пути снижения энергопотребления в системах отопления и кондиционирования воздуха пассажирских вагонов / А. Л. Емельянов, И. Г. Киселев, А. В. Михайлов // Известия Петербургского университета путей сообщения. -2011. -Вып. 4. - С. 36-42.

УДК 624.139 П. А. Кравченко

Петербургский государственный университет путей сообщения

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК В СВАЙНО-ПЛИТНЫХ И УСИЛЕННЫХ СВАЯМИ ФУНДАМЕНТАХ

Приведены результаты исследования распределения нагрузок между сваями и фундаментами усиления. Сравниваются результаты экспериментов с усиливаемыми и свайно-плитными фундаментами. Выявлено, что в обоих случаях существует стабильная зависимость в распределении нагрузок. Однако величин нагрузок, передаваемых сваями на основание в случае усиления фундамента, существенно меньше по сравнению с величинами нагрузки, передаваемой сваями на основание при использовании свайного фундамента.

свайно-плитный фундамент, усиление фундаментов, несущая способность, осадка.

Введение

В последнее время при реконструкции исторических зданий центральной части Санкт-Петербурга популярны устройство мансард, наращивание дополнительных этажей. Работы по реконструкции отдельных сооружений в исторических районах нередко приводят к понижению уровня грунтовых вод. В связи с активным освоением подземного пространства в последние годы активизировался процесс гниения лежней и свай в Стокгольме, Хельсинки и Петербурге. Кроме

того, в процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений происходят деформации конструкций, связанные с неравномерными осадками основания.

В перечисленных случаях, как правило, рассматриваются вопросы усиления основания и фундаментов зданий, одним из которых является пересадка здания на сваи [1, 2]. Для проектирования усиления фундаментов с применением различных типов свай разработано большое количество расчетных методик, позволяющих оценить несущую

2012/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

133

способность самих свай, но, к сожалению, большинство из них не учитывает несущую способность существующего фундамента в системе «фундамент - свая - грунт». Такой подход дает определенный запас несущей способности, однако приводит к удорожанию строительства.

Учет совместной работы свай с усиливаемым фундаментом не нашел отражения в научной и технической литературе. Эксперименты, которые позволили бы оценить несущую способность усиленного фундамента, оценить распределение нагрузок между усиливаемым фундаментом и сваями, не проводились. Проведение таких экспериментов в натурных условиях действительно проблематично. Из научно-технической литературы известны эксперименты, выполнявшиеся в лотках [3]. Однако фактически эти эксперименты моделировали плитно-свайный, а не усиливаемый фундамент, т. е. модели свай и модель фундамента формировались одновременно.

Распределение нагрузок в свайных (свайно-плитных) фундаментах на данный момент изучено более, нежели распределение нагрузок при усилении фундаментов. Это направление освещено как отечественными учеными [5, 6, 7], так и зарубежными [8, 9]. Однако в подобных работах рассматриваются, как правило, свайные и свайно-плитные фундаменты на сваях длиной 9 м и более как в случаях натурных испытаний, так и в случаях лоткового моделирования.

В настоящей статье приводятся результаты лотковых экспериментов, которые показывают разницу в работе усиливаемого и плитно-свайного фундамента. Рассмотрена ситуация с усилением фундаментов зданий в центральной части Санкт-Петербурга, имеющих типичную ширину подошвы 1,2.. .1,8 м, усиливаемых короткими сваями диаметром 0,12-0,25 мм. Эксперименты подтверждают необходимость учета перераспределения нагрузок при проектировании как свайноплитных фундаментов, так и свай усиления. Кроме того, в статье приведены данные, показывающие особенности работы свай при усилении фундаментов.

1 Описание модели

С целью изучения особенности распределения нагрузок между существующими фундаментами и сваями усиления в процессе увеличения нагрузок на фундаменты в лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС было выполнено несколько серий лотковых экспериментов. Методика моделирования принята на основании методических указаний [10]. Для исследований была изготовлена модель свайного фундамента размерами в плане 1,5*1,5 м с четырьмя сваями длиной 3 м и диаметром 0,16 м в масштабе 1:10. Штамп был изготовлен из оргстекла толщиной 50 мм. Сваи были выполнены из алюминиевых трубок диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Для определения нагрузки на каждой свае было установлено механическое измерительное оборудование (рис. 1).

Диаметр круглого в плане лотка 710 мм, высота - 1300 мм. Грунтовые условия моделировались пылеватым песком, что типично для верхней части геологического разреза центральной части Санкт-Петербурга. Перед началом каждого эксперимента песок извлекался из лотка и укладывался обратно с послойным уплотнением. Далее режущим кольцом отбирались пробы грунта и определялись их плотность и влажность. Серии экспериментов проводились в грунте с плотностью в диапазоне от 1,38 до 1,42 г/см3 при влажности грунта от 7,55 до 8,16 %.

Рис. 1. Модель фундамента, усиленного сваями

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/3

134

Техника и технологии

Нагрузка на штамп передавалась через шток, закрепленный на нагрузочной раме. Нагрузка увеличивалась пошагово после стабилизации осадок от предыдущей ступени. В качестве критерия стабилизации принималась осадка, не превышающая 0,01 мм за 15 минут. Все эксперименты были трижды повторены.

2 Оценка расчетного сопротивления

и несущей способности основания

Для проведения экспериментов необходимо было задаться граничными условиями, характеризующими величины нагрузок на фундаменты.

Считается, что при превышении нагрузкой по подошве фундамента значения расчетного сопротивления Строительные нормы и правила Российской Федерации [6] не гарантируют нормальных условий эксплуатации сооружения.

В случаях, когда нагрузка по подошве фундамента находится в интервале между расчётным сопротивлением и предельным давлением, возникает необходимость усиления фундамента.

С целью определения величины несущей способности и расчетного сопротивления основания штампа была выполнена серия экспериментов с пошаговым нагружением штампа размерами 15*15 см (что соответствует размерам модели плиты фундамента). Нагрузка на каждой ступени нагружения составляла 9 кг.

Значение расчетного сопротивления в трех экспериментах, определенное по ощутимому увеличению интенсивности приращения осадки штампа, составило 94 кг (41,78 кПа), 90 кг (40,00 кПа) и 76 кг (33,78 кПа) соответственно. При этом расхождение по величине расчетного сопротивления не превысило 19,1 %. Несущая способность штампа в рассматриваемых условиях достигается при нагрузке от 184 кг (81,78 кПа) до 189 кг (84,00 кПа). Таким образом, расхождение по несущей способности не превысило 2,7 %.

3 Распределение нагрузок

в свайно-плитном фундаменте

При проведении серии экспериментов с моделью свайно-плитного фундамента исследовалось распределение нагрузок между сваями и плитой, а также изменение несущей способности такого фундамента по сравнению с фундаментом на естественном основании.

Максимальное расхождение результатов (осадок) в трех экспериментах не превысило 18,3 %, в то время как расхождение по несущей способности не превысило 7,5 %.

При постоянном стабильном росте нагрузки на сваи по мере нагружения модели фундамента после приложения нагрузки порядка 30 кг наблюдалась стабилизация отношения нагрузки, передаваемой сваями на основание, к общей нагрузке на штамп (в процентном соотношении).

В диапазоне нагрузок на фундамент от 20 до 100 кг наблюдалось снижение доли передачи нагрузок на сваи с 31 до 22 %. При превышении общей нагрузкой значения 100 кг наблюдалось снижение составляющей нагрузки, передаваемой сваями на основание, с последующей стабилизацией значений в процентном отношении к общей нагрузке. Далее, после стабилизации вплоть до срыва, нагрузка, передаваемая на сваи, находилась в пределах от 21 до 24 %. При этом приращение нагрузки, воспринимаемой сваями, оставалось практически постоянным.

По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что в условиях моделирования свайно-плитного фундамента на сваи передается не более 24 % общей нагрузки, в то время как ростверк передает на грунт не менее 76 % общей нагрузки.

При сопоставлении результатов измерения осадки штампа и модели свайно-плитного фундамента хорошо видно, что после превышения нагрузкой значения расчетного сопротивления осадка модели свайноплитного фундамента существенно меньше, чем у штампа без свай. Несущая способность штампа без свай составила 184 кг (81 кПа), как сказано выше; модели свайно-

2012/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

135

плитного фундамента - 270 кг (120 кПа). Соответственно использование свай длиной 30 см для модели свайно-плитного фундамента размером 15*15 см дает прирост несущей способности в 46,7 %.

4 Распределение нагрузок

при усилении фундамента сваями

В серии экспериментов с моделью усиливаемого фундамента исследовалось распределение нагрузок между сваями и плитой, а также приращение несущей способности такого фундамента по сравнению со свайноплитным фундаментом и фундаментом на естественном основании. В экспериментах использовался штамп и модели свай, аналогичные применявшимся в модели свайноплитного фундамента.

С целью изучения распределения нагрузок при усилении существующего фундамента была принята следующая последовательность эксперимента. На подготовленное основание устанавливалась модель фундаментной плиты. Далее пошагово прикладывалась нагрузка до достижения значения в 81 кг, соответствующего значению расчетного сопротивления грунта по результатам штамповых испытаний. После этого по направляющим через штамп в грунт вдавливались сваи и закреплялись в измерительном оборудовании. Штамп при этом находился под нагрузкой. По завершении установки, закрепления всех свай и стабилизации технологической осадки продолжалось нагружение штампа.

Эксперимент проводился до провальной осадки модели фундамента. Результаты трех экспериментов имели высокую степень корреляции. Максимальное расхождение результатов по осадкам в трех экспериментах не превысило 14,6 %, по несущей способности - 3,1 %.

Увеличение нагрузки на сваи наблюдалось по линейной зависимости во всем диапазоне нагрузок. В процентном соотношении к общей нагрузке на штамп нагрузка на сваи изменялась нелинейно. Максимальное про-

центное соотношение нагрузки, передаваемой через сваи, по отношению к полной нагрузке было достигнуто при значении 273 кг и составило 12 %. Однако, при пересчете нагрузки на сваи в отношении к дополнительной нагрузке (приложенной после установки свай), после достижения дополнительной нагрузкой значения 63 кг, доля нагрузки на сваи стабилизировалась до значений 15-17 %.

При этом, начиная с нагрузки 117 кг, наблюдалась существенно меньшая осадка усиленного фундамента по сравнению со свайно-плитным фундаментом (до 46 %), а существенного увеличения несущей способности усиленного фундамента по сравнению со свайно-плитным не зафиксировано (увеличение несущей способности не превышает 5,5 %).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в условиях лоткового моделирования, при использовании свай диаметром 16 мм и длиной 300 мм для усиления фундамента размерами в плане 150*150 мм, нагрузка, передаваемая на основание через сваи, постоянна и не превышает 17 % от дополнительной нагрузки, прикладываемой после усиления.

Заключение

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Процентное соотношение нагрузки, воспринимаемой сваями как в случае со свайноплитным, так и с усиливаемым фундаментом, можно считать постоянной величиной. В то же время при одинаковых грунтовых условиях и геометрических параметрах модели существуют различия в распределении нагрузки между сваями и ростверком (усиливаемым фундаментом) при моделировании свайно-плитного и усиливаемого фундамента. Сопоставление распределения нагрузок при моделировании рассмотренных в статье фундаментов представлено в графическом виде на рис. 2.

2. В свайно-плитном фундаменте сваи передают на основание 21-24 % общей на-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/3

136

Техника и технологии

Нагрузка на штамп, кг

• Нагрузка на сваи в % от общей нагрузки при усилении А Нагрузка на сваи в % от доп. нагрузки при усилении

• Нагрузка на сваи в кг при усилении А Нагрузка на сваи в % при свайно-плитном фундаменте

• Нагрузка на сваи в кг при свайно-плитном фундаменте

Рис. 2. Диаграмма усредненных осадок модели свайно-плитного фундамента, усиленного фундамента и штампа без свай

грузки. В случае же с усилением сваями фундамента давление на подошве которого приблизительно соответствует величине расчетного сопротивления грунта, нагрузка, передаваемая на сваи, составляет 15-17 % от нагрузки, прикладываемой к штампу после усиления. Разница в передаваемой сваями на основание нагрузке в случаях со свайно-плитным и усиливаемым фундаментом составляет более 40 %. Полученные в ходе эксперимента данные свидетельствуют о существенном занижении оценки несущей способности как усиливаемых, так и свайно-плитных фундаментов при проектировании в соответствии с требованиями нормативной документации.

3. Несмотря на то что роль свай в передаче нагрузки от фундаментов на основание в случаях усиления не так значительна, как

в случаях со свайно-плитным фундаментом, осадка свайно-плитного фундамента по сравнению с осадкой усиливаемого фундамента развивается более интенсивно. Однако при усилении фундамента сваями существенного прироста несущей способности по сравнению с аналогичным свайноплитным фундаментом не зафиксировано. При этом отмечен существенный прирост несущей способности как в случае с фундаментами усиления, так и в случае с свайноплитными фундаментами. Это свидетельствует об эффективности усиления (рис. 3). Согласно требованиям нормативной документации [8, 9] оценка несущей способности таких фундаментов ниже несущей способности фундамента, не усиленного сваями, что противоречит полученным в результате эксперимента данным.

2012/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Техника и технологии

137

s

s

я1

=

s

я

н

3

я

X

4 я

0,00

5,00

10,00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

Нагрузка на штамп, кг

♦ Осадки при усилении  Осадки свайно-плитного фундамента А Осадка штампа без свай

Рис. 3. Диаграмма усредненных осадок модели свайно-плитного фундамента, усиленного фундамента и штампа без свай

Библиографический список

1. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) / Б. И. Далматов. - 2-е изд. - Л. : Стройиздат, 1998. - 415 с.

2. Реконструкция городской застройки / Н. П. Шепелев, М. С. Шумилов. - М. : Высшая школа, 2000. - 271 с.

3. Механика грунтов в инженерной практике / К. Терцаги, Р. Пек ; под ред. проф. М. Н. Голь -штейна. - М. : Росстройиздат, 1958. - 274 с.

4. Прогноз осадок свайных фундаментов / А. А. Бартоломей, И. М. Омельчак, Б. С. Юшков ; под ред. А. А. Бартоломея. - М. : Стройиз-дат, 1994. - 384 с.

5. A numerical study of pile raft foundations / Der-Guey Lin, Zheng-Yi Feng. - China : Journal of

the Chinese Institute of Engineers, Vol. 29, № 6, 2006. - PP. 1091-1097.

6. Some observations on pile footings / Serge Borel, Olivier Combarieu. - Buapest : 2nd Int. PhD Symposium in Civil Engineering, 1998. -С. 3-11.

7. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция. -М. : Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011. - 162 с.

8. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция. - М. : Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011. - 114 с.

9. Методические рекомендации по моделированию грунтового основания при исследовании напряженно-деформированного состояния сооружения. - Киев : НИИСК, 1981. - 167 с.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/3