Вытрамбованный фундамент

Полезная модель относится к области строительства, а именно для возведения фундаментов при строительстве зданий и сооружений различного назначения.
Известна конструкция фундамента в вытрамбованном котловане (Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83. -М.: Стройиздат. 1986. С. 246). Она включает вытрамбованный котлован, заполненный в распор монолитным бетоном.
Наиболее близким к полезной модели аналогом является конструкция вытрамбованного фундамента конусообразной формы с плоской подошвой в уплотненном грунте (В.И. Крутов, Е.А. Сорочан, В.А. Ковалев «Фундаменты мелкого заложения». - М.: АСВ. 2009. С. 15).
Недостатками этих конструкций фундаментов является низкая несущая способность и повышенная материалоемкость.
Технический результат заключается в снижении материалоемкости и повышении несущей способности на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок.
m
m
p
p
Технический результат достигается тем, что что отношение среднего диаметра b к высоте фундамента d должно составлять b/d=0,20-0,25, а уклон боковых стенок фундамента i находится в пределах i=0,10-0,15.
Полезная модель поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображен вытрамбованный фундамент конусообразной формы;
на фиг. 2 показан металлический пробойник с опорной плитой с закрепленными на ней пружинами;
на фиг. 3 изображена сваебойная установка с оборудованием для вытрамбовывания котлованов;
на фиг. 4 показан котлован после вытрамбовывания;
на фиг. 5 изображены вытрамбованные фундаменты после бетонирования;
на фиг. 6 - металлический каркас здания на вытрамбованных фундаментах;
на фиг. 7 - расчетная схема основания вытрамбованного фундамента методом конечных элементов;
на фиг. 8 - зависимость S=f(P) для опытной площадки №1: 7 - эксперимент; 8 - расчет;
на фиг. 9 - зависимость S=f(P) для опытной площадки №2: 9 - эксперимент; 10 - расчет;
на фиг. 10 - зависимость S=f(P) для опытной площадки №3: 11 - эксперимент; 12 - расчет;
Вытрамбованный фундамент 1 выполняется из монолитного бетона в грунтовом основании 2 на глубину d при помощи металлического пробойника, погружаемого ударным способом сваебойной установкой.
Вокруг боковых граней и острия вытрамбованного фундамента 1 создается уплотненная зона 3 с повышенными прочностными и деформационными характеристиками. Для связи вытрамбованного фундамента с каркасом здания предусмотрены металлические анкеры 4.
Для повышения несущей способности и исключения разуплотнения и выпора грунта в области 5, примыкающей к вытрамбованному фундаменту 1 на поверхности основания, при вытрамбовывании котлована используется металлическая площадка с пружинами.
При действии нагрузки 6 на вытрамбованный фундамент давление передается сначала на уплотненную зону 3, примыкающую к фундаменту, и затем на грунты основания 2.
Фундамент работает следующим образом
p
Вытрамбованные фундаменты изготавливают копровой установкой, оборудованной дизель-молотом с направляющей и коническим рабочим органом (фиг. 2, 3). При вытрамбовывании котлованов используется металлический пробойник, работающий по принципу подпружиненного клина (фиг. 2). Оптимальная величина наклона боковых граней котлована к вертикали составляет i=0,10-0,15.
Для исключения заклинивания, засасывания пробойника в основании и извлечения его из грунта применяется пружинный механизм. Принцип работы устройства по выполнению вытрамбованных фундаментов - ударно-механический.
Конусообразный пробойник крепится по 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 котлована (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 значения коэффициента пористости е.
При вытрамбовывании котлована образуется уплотненная зона, имеющая форму эллипса, в пределах которой повышается плотность грунта, улучшаются прочностные и деформационные свойства. Контроль плотности грунта в основании при устройстве фундамента неглубокого заложения определяется по расчетному сопротивлению грунта прониканию в него наконечника микропенетрометра.
m
m
m
d
r
d
r
3
3
Толщина уплотненного слоя под отдельным фундаментом в вытрамбованном котловане составляет (1,6-2,2)b ниже плоскости острия, ширина уплотненной зоны составляет соответственно (2,2-2,6)b, где b - диаметр вытрамбованного котлована в среднем по глубине сечении. Плотность уплотненного грунта на глубине 20-30 см от дна вытрамбованного котлована составляет ρ=1,70-1,75 г/см при степени влажности уплотненного грунта S=0,6-0,7, и ρ>1,75 г/см при S<0,6.
0
d
3
В уплотненном массиве после вытрамбовывания котлованов в основании удельное сцепление грунта С увеличивается в 5-7 раз, модуль деформации Е возрастает в 2-5 раз. За нижнюю границу уплотненной зоны принимается глубина, на которой плотность сухого грунта достигает значения, обычно равного ρ=1,60 г/см.
0
Наибольшая эффективность уплотнения достигается в случае вытрамбовывания котлованов при влажности, близкой к оптимальной ω, определяемой по формуле
р
где ω - влажность на границе раскатывания.
Натурные испытания деформируемых оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах наиболее точно отражают характер пространственного взаимодействия каркасных зданий и основания. Полевые эксперименты в натурных условиях проводились на трех опытных площадках с целью достоверной оценки несущей способности вытрамбованных фундаментов.
2
Опытная площадка №2 общежития на 277 человек расположена в г.  Нижний Новгород. В геоморфологическом отношении площадка находится в центре Русской равнины, на сопряжении Западной части Приволжской возвышенности, Волго-Ветлужской равнины и Марийской низменности. В геологическом строении района работ до глубины 60,0 м принимают участие отложения пермской системы (Р), и отложения четвертичной (Q) системы. В грунтовом разрезе изучаемой площадки до глубины встречены следующие инженерно-геологические элементы: ИГЭ 1 - техногенные образования (tIV) - представленные смесью переотложенных песков и супеси серого цвета; ИГЭ 2 - нерасчлененная толща покровных суглинков (pr, d, II-III); ИГЭ 3 - аллювиально-флювиогляциальные отложения (a, f, IIdn) - пески мелкозернистые, глинистые с включением мелкого гравия метаморфических пород. Грунтовые воды предполагаются на глубине 2-5 м от поверхности земли.
III
Опытная площадка №3 жилого дома расположена в п. Решетиха Нижегородской области. В верхней части аллювиальной толщи под насыпными грунтами залегают пески (adQ) кварцевые, мелкозернистые, средней плотности, мощностью до 7,7 м. Четвертичная толща подстилается образованиями уржумского яруса средней перми, сложенными плотными глинами и алевролитами. Ниже на глубине ~56 м залегают карстующиеся карбонатные и сульфатные породы казанского и сакмарского ярусов средней и нижней перми.
Экспериментальные исследования несущей способности вытрамбованных фундаментов выполнялись в соответствии с ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». За предельное сопротивление вытрамбованного фундамента принимается нагрузка, под действием которой испытываемый фундамент получил осадку, равную s, определяемую по формуле (2)
u,mt
u,mt
где S - предельное значение средней осадки фундамента проектируемого каркасного здания, устанавливаемое по СП 22.13330, S=15 см (гражданские здания с металлическим каркасом) (фиг. 6);
u,mt
ζ - коэффициент перехода от предельного значения средней осадки фундамента здания S к осадке вытрамбованного котлована, ζ=0,3.
Расчетная нагрузка на свайный фундамент назначается по формуле
к
к
где γ - коэффициент надежности по грунту при определении несущей способности вытрамбованного фундамента по результатам полевых испытаний статической нагрузкой, γ=1,0.
Таким образом, по результатам статических испытаний расчетная нагрузка на вытрамбованный фундамент каркасных зданий определяется при осадке S в пределах 45 мм.
Теоретические исследования несущей способности вытрамбованных фундаментов проведены с использованием геотехнического комплекса Plaxis (фиг. 7). Решалась пространственная упругопластическая задача методом конечных элементов с одновременным учетом прочностных и деформационных свойств основания. В качестве условия текучести при решении задачи было принято условие предельного равновесия Мора-Кулона. Расчетная схема основания учитывала образование зоны уплотнения при вытрамбовывании котлована.
Учет собственного веса грунта проводился в виде начальных напряжений, деформированное состояние основания определялось только от внешней нагрузки на фундамент. Расчетная область основания принималась размерами 8,0×8,0×12,0 м (фиг. 7).
Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований несущей способности вытрамбованных фундаментов на опытных площадках №1, 2, 3 приведено на фиг. 8, 9, 10.
3
Использование вытрамбованных фундаментов для каркасных зданий позволяет снизить материалоемкость нулевого цикла в 1,5-2,0 раза, уменьшить объем земляных и опалубочных работ. Удельная несущая способность фундаментов в вытрамбованных котлованах на опытных площадках №1, 2, 3 составляет 820-1120 кН/м - существенно выше традиционных конструкций фундаментов.
Использование решений нелинейной механики грунтов позволяет оценить напряженно-деформированное состояние оснований вытрамбованных фундаментов в большом диапазоне изменения нагрузок вплоть до предельных. Для практического применения предложен инженерный метод, позволяющий определить осадку вытрамбованного фундамента с учетом прочностных и деформационных свойств грунта. В качестве математической модели, связывающей величину осадки с исходными параметрами, принята многофакторная нелинейная зависимость, позволяющая вести проектирование вытрамбованных фундаментов по предельно допустимым деформациям.