Исследование несущей способности оснований, усиленных выштампованными микросваями

Общетехнические и социальные проблемы

УДК 624.131.54:624.04236

С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЙ, УСИЛЕННЫХ ВЫШТАМПОВАННЫМИ МИКРОСВАЯМИ

В статье приведены основные результаты теоретического обоснования увеличения несущей способности оснований, закреплённых выштампованными микросваями. Проанализированы результаты выполненных лотковых испытаний модели фундамента как на естественном основании, так и на основании, закрепленном микросваями. Произведено сравнение теоретических расчётов с модельными испытаниями. Сформулированы выводы о сходстве теоретических расчётов и практических исследований.

закреплённые основания; выштампованная цементно-щебеночная микросвая.

Введение

Практически любая реконструкция зданий Санкт-Петербурга, имеющих историю своего существования в 100...200 лет и более, неизбежно связана с решением ряда вопросов по надежности существующих фундаментов и их оснований.

В последнее время на многих реконструируемых объектах Санкт-Петербурга в качестве конструктивного элемента увеличения несущей способности основания существующих фундаментов стали применять выштампованные микросваи. Такие микросваи (длиной до 2.2,5 м) являются конструктивным элементом усиления основания, представленного позднеледниковыми и послеледниковыми озерными и морскими отложениями (пылеватые пески, супеси, суглинки), имеющими довольно низкие несущие свойства и высокую водонасыщенность.

1 Теоретическое обоснование увеличения несущей способности усиленного основания

Методика выполнения свай [1] заключается в следующем:

1. Из подвала реконструируемого здания вдоль его несущих стен пневмопробойником в основании пробиваются вертикальные или наклонные скважины диаметром 130.155 мм.

2. Многократная проходка (до 10 раз) таких скважин пробойником сопровождается подачей и вбиванием сухой бетонной смеси.

3. В образовавшуюся полость подаётся жёсткая бетонная смесь и производится армирование.

4. В результате в основании создаётся свая диаметром 200...250 мм и длиной до 2.2,5 м [4].

Ставится задача определения степени усиления основания закреплённого микросваями. С этой целью изобразим схему зон предельного состояния основания для ленточного фундамента (левая часть рисунка 1).

Рис. 1. Расчётная схема формирования предельного состояния от полосовой нагрузки

для основания, усиленного выштампованными микросваями, до начала поворота относительно т. О. I - зона переуплотнённого грунта в виде клина; II - зона развития пластических деформаций

Для ленточного фундамента предельная нагрузка на основание может быть определена выражением:

Nu=b х/ x

где все обозначения приняты в соответствии со СНиП [3].

В правой части рисунка 1 изображена расчётная схема (по Л. Прандтлю) от полосовой нагрузки для основания, в которое в качестве усиления добавлена выштампованая микросвая.

Выполненные микросваи с целью усиления (увеличения силы предельного сопротивления) основания вдоль существующих фундаментов пересекают зону II (рис. 1) и таким образом, прежде всего, создают препятствие для развития горизонтальных деформаций (зон сдвигов). В результате на часть длины микросваи Zmax будет действовать горизонтальный распор, создавая усилие в виде активного давления грунта

Еакт.(св> Величина данного распора переменна в зависимости от условий загружения фундамента и достигает максимального значения в момент нарушения равновесия жёсткой сваи (поворот относительно т. О).

Противодействовать силе активного давления грунта будет пассивный отпор Епас1св, развитие которого может быть в первом приближении определено двумя этапами. Первый этап работы продолжается до возникновения перемещений микросваи относительно т. О (до момента предельного равновесия Еакт.св=Епас1св). На данном этапе пассивный отпор развивается по всей длине / микросваи (рис. 1).

Для определения Епас1св вычислим пассивное давление а2пас в грунте, действующее на сваю из условия предельного состояния (2):

2 / /I сО , Ф'

G2nac = УупХ^Х tg (45 + 77).

2'

Тогда пассивный отпор может быть определён выражением:

Е , = 1/1 х rx, xlxF,

пасісє /Д 2 пас ’

где Ууп. - удельный вес грунта вокруг сваи, с учётом его уплотнения в процессе изготовления микросваи, принято что ууп= 1,11у [4];

/ - длина микросваи;

<р - угол внутреннего трения грунта основания;

F = л-гсв - площадь половины периметра микросваи, по которой возникает пассивный отпор; гсв - радиус изготовленной микросваи.

Подставляя введённые обозначения в выражение 3, получим выражение 4:

Е

пасісє

_ \/....../2 w

= /2хУупХ1 xfg (45 +-)x7ixrc

Пассивный отпор Епас1св в соответствии с геометрическими построениями (рис. 2) может быть представлен двумя состовляющими: нормальным давлением на ствол микросваи: Епас1свх cos а, трением грунта вдоль ствола микросваи: Епас1свх sin а, где а - угол наклона микросваи к вертикали.

Определив величину пассивного отпора для микросваи в момент её предельного равновесия (возникновение поворота относительно т. О), представляется возможным вычислить дополнительную составляющую для силы предельного сопротивления усиливаемого микросваями основания (5):

N.

иісв

nxE„aci„x(cosa + sma),

где n - количество микросваи усиления на единицу расчётной длины фундамента.

Рис. 2. Геометрическое разложение пассивного отпора на две составляющие

Тогда для основания, усиленного микросваями, сила предельного сопротивления (из условия равновесия свай) составит (выражение 6):

Nu{yci) ~NU+ Nulce,

Nu(ycV) =Nu+nxEmclce(cosa + sin a),

где Nu - сила предельного сопротивления основания, без учёта свай, определяемая выражением (1).

Nu1c - сила предельного сопротивления основания с учётом работы микросвай (предельное состояние микросвай относительно точки

О).

Таким образом, задавшись предварительно размерами микросваи (радиусом и длиной, по технологическим особенностям изготовления), можно найти необходимое число микросвай усиления (n) (из выражения 7), в зависимости от требуемой (задаваемой) величины силы предельного сопротивления усиленного основания Nu(yc1) (из условия равновесия свай):

n

N -N

JV u(ycl) JV и

Enaclcex

Второй этап работы усиленного основания возникает после начала деформации микросваи относительно т. О (момент нарушения устойчивости). В этот момент предполагается, что поверхности скольжения грунта (в направлениях от фундамента) начинают плавное обтекание вокруг микросвай. В результате происходит резкое уменьшение развития площади влияния сопротивления пассивного отпора на

максимальную глубину развития зон пластических деформаций (по расчётам, сделанным для разных диаметров микросвай, площадь развития пассивного отпора уменьшается более чем в 12 раз) [5].

Как известно, максимальная глубина развития зон пластических деформаций при полосовой нагрузке, согласно исследованиям Маслова Н. Н. [2], может быть определена выражением:

zma , = bxtg

где b - ширина подошвы полосовой нагрузки.

Исходя из перечисленных условий, до глубины Zmax пассивным отпором в первом приближении можно пренебречь (значительное снижение сопротивления грунта). Тогда пассивный отпор Епас2св будет возникать на части сваи h, расположенной ниже поверхностей скольжения (рис. 3).

Для определения Епас2св. вычислим пассивное давление ст2пас. в грунте, действующее на сваю из условия предельного состояния (9):

2 ґл с0 .

<*гпас =УУпХЬх*8 (45 +-)•

Тогда пассивный отпор может быть определён выражением:

Е . = у- х <j, xhx F,

пасісв /О 2 пас ’

где h = f-bx tg(p - отрезок сваи, расположенный ниже поверхностей скольжения (см. ранее).

Рис. 3. Расчётная схема формирования предельного состояния от полосовой нагрузки для основания, усиленного выштампованными микросваями, после начала поворота относительно т. О. I - зона переуплотнённого грунта в виде клина; II - зона

развития пластических деформаций

Преобразуя выражение (10), получим (11):

Епас2св =)2Xtg2

Таким образом, как только возникнет условие Еакт.св>Епас1св, микросвая получит смещение (поворот и перемещение вдоль ствола), следовательно противодействовать Еактсв будет пассивный отпор Епас2св (12):

В результате представляется возможным вычисть дополнительную составляющую для силы предельного сопротивления усиленного микросваями основания (Ыис2св) на втором этапе работы (см. ранее):

Nu2ce =пх Епас2се х

Тогда для основания, усиленного микросваями, сила предельного сопротивления (с учётом перемещения микросваи) по аналогии с выражением 6 составит (13):

Nu(yC2) ~NU+ Nu2ce,

N

и

— Nu+nx Епас2св X (cos а + sin а).

Как показывает расчётный анализ значение силы предельного сопротивления основания Nu(yc2), на основании вычислений меньше величины Nu<yc1). Следовательно силу предельного состояния основания Nu(yc2) и соответствующее ему предельное давление следует рассматривать как величину, имеющую только теоретический интерес.

Расчёт необходимого количества микросвай усиления следует осуществлять исходя из величины Nuyc1), т. е. до момента нарушения условия равновесия свай (см. выражение 7).

2 Экспериментальные исследования предельного сопротивления усиленного основания

Для проведения экспериментальных исследований по определению предельного сопротивления оснований был изготовлен лоток из металлических уголков, со стенками из стекла толщиной 8 мм. Стенки лотка были сделаны из стекла для возможности визуального наблюдения за развитиями процесса деформации до и после усиления оснований. Также была изготовлена специальная установка для нагружения (рис. 4) Конструкция лотка предусматривала две вертикальные пластиковые трубки с отверстиями, через которые происходило водонасыщение песка.

Для наблюдения за деформациями к станине был прикреплён индикатор часового типа с точностью измерений до 0,01 мм.

Для проведения опытов использовался пылеватый песок, насыщенный водой. Причина выбора для испытаний пылеватого песка заключается в том, что данный грунт чаще всего служит основанием под зданиями на естественных основаниях в Санкт-Петербурге. Для песка был проведен ряд исследований: определены физические свойства песка, проведены

консолидировано-дренированные испытания при постоянном всестороннем давлении в камере стабилометра. Песок в лоток укладывался в воздушно сухом состоянии с послойным уплотнением (3 см). После полной укладки песка происходило его водонасыщение. Водонасыщение осуществлялось постепенно до степени влажности Sr > 0,8.

Рис. 4. Общий вид установки. 1 - индикатор часового типа, 2 - пригрузка, 3 - штамп 15

х 4 см., 4 - стеклянный лоток

Используемые штампы имели прямоугольную и квадратную форму. Один из штампов, при помощи которого велось наблюдение за развитиям поверхностей скольжения до и после усиления оснований, имел размер в плане 0,15 х 0,04 м. Стороны штампа практически вплотную соприкасались со стеклянными стенками лотка. При использовании данного штампа песок в лоток укладывался послойно с горизонтальными прослойками из подкрашенного песка. Для визуального восприятия отклонений горизонтальных линий из подкрашенного песка на передней стенки лотка была выполнена разметка в виде горизонтальных линий через 3 см (рис. 5). Для масштабного восприятия на стенку лотка была прикреплена линейка. Все деформационные развития основания фиксировались цифровой фотокамерой.

Нагрузка на штамп передавалась центрировано, ступенями. Результаты отсчёта по индикатору снимались через 15 мин и заносились в журнал. Ступени нагружения были выбраны по 1 кг, каждая последующая ступень нагружения прикладывалась после условной стабилизации деформации штампа. При приближении нагрузки к предельной период стабилизации деформаций возрастал. При достижении предельного давления происходило резкое возрастание деформации.

Исследования несущей способности модели фундамента производились как на естественном основании (рис. 5, 6), так и на основании, закрепленном микросваями (рис. 7, 8). Микросваи

устанавливались под углами 00, 300, 450 к вертикали. Из приведённых фотоматериалов видно, что в основаниях, незакреплённых микросваями, деформационная картина основания проявляется в большей степени, чем в закреплённых грунтах. Отмечено, что после выполнения микросвай развитие зон пластических деформаций происходит медленнее по сравнению с незакреплённым основанием. Это условие сохраняется до момента потери устойчивости свай (начало поворота относительно точки О).

После проведения серии опытов модельных испытаний со штампом 0,15 х 0,04м, было принято решение провести исследования со штампом размером в плане 0,04 х 0,053м. Выбор такого размера объясняется двумя причинами: - полностью исключить влияние стенок лотка на основание; -выполнить модель в масштабе 1:15 натурного фундамента, испытанного ранее.

ис. 5. Лотковые испытания штампа на незакрепленном песчаном основании с обозначенными горизонтальными слоями

- Рис. 6. Лотковые испытания штампа на незакрепленном песчаном основании с обозначенными горизонтальными и вертикальными слоями по углам штампа

ис. 7. Лотковые испытания штампа на закрепленном песчаном основании

ис. 8. Лотковые испытания штампа на закрепленном песчаном основании

Испытания также проводились для незакреплённого основания и основания, усиленного микросваями, с разными углами погружения. На основании проведённых испытаний строились графики (давление -осадка). На рис. 9 приведён график для штампа 0,04 х 0,053 м, без закрепления и с закреплением микросвай под углом 450 к вертикали. Значения предельных давлений на основание определялись отношением силы предельного сопротивления N к площади штампа F.

Рис. 9. Графики штамповых испытаний. Ррасч. - предельное давление для

незакрепленного основания, полученное c использованием формулы

Результаты эксперимента и расчёта показали, что расхождения между значениями Ррасч. и Роп1 составило порядка 23%. Все расчётные значения вычислялись на основании геометрического подобия, в виде отношения линейных размеров в соответствующих элементах натуры и модели. Предельные давления, полученные c использованием формул 6 и 13 (влияние свай), добавлялись к значению Роп1, определенному на основе эксперимента. В случае отсутствия штамповых испытаний расчётные значения Р№ и Р№ (влияние свай) следует прибавлять к Ррасч..

Из графика видно, что предельное давление Рш (212 кПа), рассчитанное c использованием формулы 6 (момент предельного равновесия относительно т. О), значительно превышает значения Рю (183 кПа), рассчитанное с учётом потери устойчивости микросваи.

Поскольку давление Р№ при нагружении усиленного микросваями основания, возникает раньше по сравнению с Рю, то второй этап работы усиленного основания (см. ранее) будет сопровождаться резким возрастанием осадок (см. пунктир на рис. 4) и потому не применим к расчёту.

Таким образом, количество микросвай, необходимых для усиления оснований, следует определять из условий предельного равновесия Nuyc.L).

Заключение

Результаты проведённых теоретических обоснований и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Применение выштампованных микросвай позволяет повысить предельное давление на основание (несущую способность) до 52%.

2. Согласно теоретическому обоснованию формулы 7, задавшись предварительно размерами сваи, из условия их равновесия, представляется возможность определяеть необходимое количество свай (n) усиления. Расчёты следует проводить в зависимости от требуемой (задаваемой проектировщиком из условий реконструкции) величины силы предельного сопротивления усиленного основания Nuty^).

3. Расхождение между значениями предельных давлений, полученными расчётом с использованием предложенной формулы 6 и по результатам штамповых испытаний закрепленного основания составляет 12%, что можно считать вполне приемлемым.

4. Представленная методика позволяет определять необходимое число микросвай усиления и обоснованно выполнять проектное решение по усилению основания.

Библиографический список

1. Оценка закрепления основания методом пневмотрамбования щебёночноцементной смеси / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2007. - Вып. 4. - С. 88-97.

2. Основы инженерной геологии и механики грунтов / Н. Н. Маслов. - М. : Высшая школа, 1982. - 504 с.

3. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83*). - М. : Стройиздат, 1986. - 42 с.

4. Исследование зон уплотнения грунтового основания вокруг

выштампованных микросвай / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Межвузовский тематический сборник трудов. СПб. : СПб ГАСУ, 2009. - С. 90-94.

5. Руководство по проектированию и устройству заглублённых инженерных сооружений. - М. : Стройиздат, 1986. - 92 с.

Статья поступила в редакцию 18.05.2009; представлена к публикации членом редколлегии Т. А. Белаш.

УДК 624.131 В. В. Богданов

КОМПЛЕКСНЫЙ ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИ УСТРОЙСТВЕ КОТЛОВАНА В ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА