Вытрамбованные фундаменты в грунтах со слабым подстилающим слоем

ВЕСТНИК ПНИПУ

2014 Строительство и архитектура № 2

УДК 624.15

В.Е. Глушков, А.В. Глушков

Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола, Россия

ВЫТРАМБОВАННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ В ГРУНТАХ СО СЛАБЫМ ПОДСТИЛАЮЩИМ СЛОЕМ

Представлены результаты расчетов грунтового основания фундаментов в вытрамбованных котлованах со слабым подстилающим слоем. Описан опыт применения вытрамбованных фундаментов в жилищном строительстве в качестве эффективной замены свайных фундаментов. Проведен анализ несущей способности и напряженно-деформированного состояния активной зоны вытрамбованных фундаментов. Статья предназначена для специалистов в области промышленного и гражданского строительства и инженеров-геотехников.

Ключевые слова: вытрамбованный фундамент, метод конечных элементов, геотехнический расчет, учет слабого подстилающего слоя, эффективные виды фундаментов.

V.Ye. Glushkov, A.V. Glushkov

Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola, Russian Federation

FOUNDATION IN COMPACTED PIT WITH THE UNDERLYING SOFT SOIL

The calculations results of the soil basement of the foundation in compacted pit with the underlying soft soil are strongly considered. The article informs about the experience of the effective foundation application instead of pile foundations. Also, a special attention is given to stress-strain analysis in the active zone of the soil basement of the foundation in compacted pit. This article seems to be interesting for those who work in the field of building construction and geotechnics engineering.

Keywords: foundation in compacted pit, finite element method, geotechnical calculation, soft soil influence, effective foundation types.

Традиционным решением фундаментов на строительных площадках при наличии слабых подстилающих слоев грунта являются свайные фундаменты из свай большой длины. Имеющийся отечественный опыт проектирования фундаментов в подобных грунтовых условиях указывает на возможность и целесообразность наиболее полного использования несущей способности верхнего более прочного слоя грунта. Наиболее рациональными конструкциями фундаментов в

сложных инженерно-геологических условиях являются вытрамбованные фундаменты, короткие пирамидальные сваи фундаменты [1].

Экспериментальные данные свидетельствуют, что вытрамбованные фундаменты обладают несущей способностью, в 2-2,5 раза большей по сравнению с призматической сваей равного объема. Значительное увеличение несущей способности объясняется большим уплотнением грунта вокруг фундамента и иным характером взаимодействия с основанием в сравнении с призматическими сваями [2].

При вытрамбовывании котлованов использовался металлический пробойник размером поверху 920 мм, понизу 200 мм, длиной 2,5 м, работающий по принципу подпружиненного клина. Вытрамбованные фундаменты изготавливают копровой установкой, оборудованной дизель-молотом с направляющей и коническим рабочим органом с пружинным механизмом для извлечения его из грунта. Принцип работы устройства по выполнению вытрамбованных фундаментов - ударно-механический.

Конусообразный пробойник крепится на направляющей при помощи кронштейна, а ударное воздействие от дизель-молота передается рабочему органу через наголовник. При работе дизель-молота в результате многократного ударного воздействия конусообразный пробойник погружается в грунт основания. При достижении поверхности грунта опорной площадкой начинают сжиматься опорные пружины, и в момент, когда накопленная сила сжатия опорных пружин становится больше сил трения и сцепления поверхности рабочего органа о стенки котлована, происходит отрыв конусообразного пробойника от грунтовой среды.

За счет работы нижней опорной плиты, располагающейся по периметру вытрамбованного фундамента, исключается разуплотнение, разрыхление и выпор грунта в области, расположенной в непосредственной близости от поверхности котлована.

Процесс вытрамбовывания сопровождается уплотнением грунта с формированием уплотненной зоны вокруг боковых стенок и ниже плоскости острия металлического пробойника, связанной с созданием новой структуры грунта и уменьшением значений коэффициента пористости. Для увеличения несущей способности вытрамбованного фун-

дамента в забое котлована создается уширенное основание путем втрамбовывания жесткого материала.

При вытрамбовывании котлована образуется уплотненная зона, имеющая форму эллипса, в пределах которой повышается плотность грунта, улучшаются прочностные и деформационные свойства. Толщина уплотненного слоя под отдельным фундаментом в вытрамбованном котловане составляет 0,9-1,2 м ниже плоскости острия, ширина уплотненной зоны составляет соответственно 1,2-1,4 м. Плотность уплотненного грунта на глубине 20-30 см от дна вытрамбованного котлована составляет р^ = 1,70...1,75 г/см при степени влажности уплотненного грунта = 0,6.0,7 и р^ > 1,75 г/см при < 0,6. В уплотненном массиве после вытрамбовывания котлованов в основании удельное сцепление грунта увеличивается в 5-7 раз, модуль деформации возрастает в 2-5 раз. За нижнюю границу уплотненной зоны принимается глубина, на которой плотность сухого грунта достигает значения, обычно равного 1,6 г/см . Наибольшая эффективность уплотнения достигается в случае вытрамбовывания котлованов при влажности, близкой к оптимальной определяемой по формуле

и>0 = wp -

где wр - влажность на границе раскатывания.

Инженерно-геологические условия площадки жилого дома в г. Йошкар-Ола характеризуются наличием сверху аллювиальных отложений тугопластичной глины (ИГЭ-2), подстилаемой рыхлым песком средней крупности (ИГЭ-3). С глубины от 3,6 до 14,2 м залегает теку-чепластичный суглинок (ИГЭ-4), подстилаемый плотным песком средней крупности (ИГЭ-5). Инженерно-геологический разрез площадки представлен на рис. 1.

В результате статических испытаний вытрамбованных фундаментов в полевых условиях установлено, что расчетная нагрузка на фундамент составляет 500 кН (рис. 2). При возведении вытрамбованных фундаментов взамен проектных свай С14-35 стоимость нулевого цикла снижена на 180 тыс. рублей в ценах 1991 г., трудозатраты в 2,4 раза, материалоемкость уменьшилась в 2,8 раза.

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез площадки строительства

Совершенствование методики расчета вытрамбованных фундаментов должно быть направлено на использование решений нелинейной механики грунтов, что позволяет оценить напряженно-деформированное состояние оснований в большом диапазоне изменения нагрузок вплоть до предельных [3]. При расчете вытрамбованных фундаментов использовано решение упругопластической задачи МКЭ. В грунтовом массиве имеются одновременно области допредельного и предельного состояния грунта, что отвечает состоянию реальных оснований. Переход элементов из упругого в пластическое состояние осуществляется в соответствии с принимаемым критерием текучести Мора - Кулона рис. 3.

В результате расчетов установлено, что зависимость £ = _ДР) имеет нелинейный характер во всем диапазоне действующих нагрузок (рис. 2). Зарождение зон пластических деформаций в основании вытрамбованных фундаментов происходит у боковой поверхности. С дальнейшим ростом нагрузки на фундамент происходит расширение пластической области в стороны и вниз.

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0

Рис. 2. График зависимости осадки от нагрузки £ = ДР) вытрамбованного фундамента

Для практического применения полученного упругопластическо-го решения составлена номограмма, позволяющая определить осадку вытрамбованного фундамента с учетом прочностных и деформационных свойств грунта. В качестве математической модели, связывающей величину осадки фундамента с исходными параметрами, принята многофакторная нелинейная зависимость.

Сравнение экспериментальных и теоретических осадок, полученных с использованием упругопластических решений МКЭ, показывает хорошую сходимость результатов при краткосрочных статических испытаниях без учета фактора времени [4]. Это объясняется наличием в пределах активной зоны водонасыщенного текучепластичного суглинка. Средняя осадка с момента строительства здания составляет (0,40-0,50)^.

_ВЕСТНИК ПНИПУ

2014 Строительство и архитектура № 4

б

д

Рис. 3. Резульаты расчетов МКЭ осесимметричной задачи вытрамбованного фундамента со слабым подстилающим слоем: а - вертикальные перемещения в основании иу; б - горизонтальные перемещения их; в - вертикальные напряжения сту; г - касательные напряжения тху; д - распределение зон пластических деформаций

а

в

г

Библиографический список

1. Бартоломей А.А., Глушков В.Е., Глушков И.В. Комбинированный фундамент // Брюссель-Эврика 2003: 52-й всемирный салон инноваций, научных разработок и новых технологий. - Бельгия, Брюссель, 11-16 ноября 2003 г.

2. Глушков И.В. Методика проектирования комбинированных свайных фундаментов // Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки: тр. Междунар. науч.-практ. сем. - Пермь, 2005. - Т. II. - С. 13-18.

3. Бартоломей А.А., Глушков И.В. Численное исследование напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах с центральной сваей // Сб. науч. тр. Ку-бан. гос. аграр. ун-та. - Краснодар, 2003. - С. 174-181.

4. Глушков В.Е., Мирошин А.Н., Глушков И.В Эффективные конструкции фундаментов жилых домов с каркасом типа «CARET» // Социум в преддверии XXI века: Итоги пройденного пути, проблемы настоящего и контуры будущего: III Вавиловские чтения: материалы всерос. конф. / Марийск. гос. техн. ун-т. - Йошкар-Ола, 1999. - Ч. II. -С.398-401.

References

1. Bartolomey A.A., Glushkov V.E., Glushkov I.V. Kombinirovanniy fundament [Combined footing]. Brussels-Eureka 2003: 52nd World show "Innovation, Research and New Technology". Belgium, Brussels, 2003.

2. Glushkov I.V. Metodika proektirovaniya kombinirovannykh svaynykh fundamentov [Design technique of combined pile foundations]. Trudy Mezhdunarodnogo nauchno-prakticheskogo seminara "Aktualnye problem proektirovaniya i stroytelstva v usloviyakh gorodskoy zastroyky", Perm, 2005, vol. II, pp. 13-18.

3. Bartolomey A.A. Glushkov I.V. Chislennoe issledovanie napya-zhenno-deformirovannogo sostoyaniya osnovanij fundamentov v vytrambo-vannykh kotlovanakh s centralnoj svaej [Numerical study of stress-strain state of foundations in rammed pits with a central pile]. Sbornik nauchnykh trudov Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, Krasnodar, 2003. pp. 174-181.

4. Glushkov V.E., Miroshin A.N., Glushkov I.V. Effectivnye kon-struktsii fundamentov zhylykh domov s karkasom tipa "CARET" [Effective

design of house foundations with frame type «CARET»]. Materialy vse-rossiyskoy konferencii III Vavylovskie chteniya "Socium v preddverii XXI veka: Itogi proydennogo puty, problemy nastoyashego i kontury bu-dushego". Yoshkar-Ola: Mariiskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universi-tet, 1999, vol. II. pp. 398-401.

Об авторах

Глушков Вячеслав Евгеньевич (Йошкар-Ола, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции и основания» Поволжского государственного технологического университета (e-mail: 256289@mail.ru).

Глушков Алексей Вячеславович (Йошкар-Ола, Россия) - аспирант, ассистент кафедры «Строительные конструкции и основания» Поволжского государственного технологического университета (e-mail: glushkovav@volgatech.net).

About the authors

Glushkov Vyacheslav Yevgenyevich (Yoshkar-Ola, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Construction structures and foundations, Volga State University of Technology (e-mail: 256289@mail.ru).

Glushkov Alexey Vyacheslavovich (Yoshkar-Ola, Russian Federation) - Doctoral Student, Assistant Lecturer, Department of Construction structures and foundations, Volga State University of Technology (e-mail: glushkovav@vol gatech.net).

Получено 25.03.2014