ВЫТРАМБОВАННЫЙ ШПАЛЬНЫЙ ФУНДАМЕНТ

Полезная модель относится к области строительства, а именно для возведения ленточных фундаментов при строительстве зданий и сооружений различного назначения.
Известна конструкция шпального фундамента с плоской подошвой, включающая узкие шпальные блоки, устанавливаемые поперек несущих конструкций стен, панелей (В.Н. Голубков, Ю.Ф. Тугаенко, Л.И. Колесников, К.М. Кокоржицкий «Шпальные и клиновидно-шпальные забивные фундаменты, «Будiвельник», Киев, 1976 г. с.7). Взаимодействие между основанием и шпальных фундаментов заключается в их совместной работе.
Наиболее близким к полезной модели аналогом является конструкция фундамента в вытрамбованном котловане конусообразной формы (Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров, А.И. Осокин «Основания и фундаменты», АСВ, М., 2013 г., с.133-134). Она включает вытрамбованный котлован, заполненный в распор монолитным бетоном.
Недостатками этих конструкций фундаментов является низкая несущая способность и повышенная материалоемкость.
Технический результат заключается в снижении материалоемкости и повышении несущей способности на действие вертикальных нагрузок.
m
m
m
>
Технический результат достигается тем, что вытрамбованный шпальный фундамент конусообразной формы, согласно полезной модели, минимальная глубина вытрамбованного шпального котлована h составляет h=(4÷5)b (b – средняя ширина сечения фундамента), расстояние между осями смежных фундаментов a должно быть a3b.
Полезная модель поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображен ленточный вытрамбованный шпальный фундамент;
на фиг. 2 показан ленточный вытрамбованный шпальный фундамент (вид сверху);
на фиг. 3 изображена расчетная схема метода конечных элементов (пространственная упругопластическая задача);
на фиг. 4. изображен взаимодействие ленточного вытрамбованного шпального фундамента с основанием;
m
m
m
m
на фиг. 5 зависимость осадки от нагрузки s=f(P) вытрамбованного шпального фундамента при шаге a=b, a=2b, a=3b, a=4b;
m
на фиг. 6 зависимость осадки от шага s=f(a/b) вытрамбованного шпального фундамента;
z
m
m
на фиг. 7 изолинии вертикальных перемещений u в основании вытрамбованного шпального фундамента при a=b и a=4b.
Вытрамбованный шпальный фундамент 1 выполняется в грунте природного сложения 2 на глубину h с использованием металлического инвентарного пробойника, погружаемого ударным способом при помощи дизель-молота. Вытрамбованные котлованы расположены поперек оси здания с шагом a между осями смежных шпальных фундаментов.
При вытрамбовывании котлована вокруг боковых граней и острия вытрамбованного фундамента создается уплотненная зона 3 с повышенными прочностными и деформационными характеристиками.
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.
Наибольшая эффективность уплотнения достигается в случае вытрамбовывания котлованов при влажности, близкой к оптимальной , определяемой по формуле:
(1)
где  – влажность на границе раскатывания.
После бетонирования вытрамбованных котлованов вдоль оси здания выполняется монолитный железобетонный ростверк (ранд-балка) 4, на которую передается нагрузка 5 от вышележащих конструкций здания. При действии нагрузки 5 на фундамент, нагрузка передается через монолитный железобетонный ростверк 4 на вытрамбованный шпальный фундамент 1 сначала на уплотненную зону 3, а затем на грунты природного сложения 2.
>
m
Вытрамбованный шпальный фундамент работает следующим образом. При шаге a3b развиваются самостоятельные зоны деформаций в основании вытрамбованного шпального фундамента 1. Осадки обусловлены работой отдельного вытрамбованного фундамента (фиг. 7). Для оптимизации величины a (расстояния между осями вытрамбованных шпальных фундаментов) проведены расчеты методом конечных элементов с использованием геотехнического комплекса Plaxis (пространственная упругопластическая задача) 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 60,0×20,0×12,0 м (фиг. 3, 4).
Результаты теоретических исследований несущей способности вытрамбованных шпальных фундаментов приведены на фиг. 5, 6, 7.
>
m
В проектном положении вытрамбованные шпальные фундаменты работают в распор по принципу клина, расположенного в основании. Для того, чтобы зоны деформации не влияли на осадку и несущую способность фундамента, предлагается оптимальный шаг между осями отдельных фундаментов. При малом шаге a развиваются взаимно влияющие зоны деформации, приводящие к увеличению осадки и снижению несущей способности вытрамбованного шпального фундамента. При увеличении шага a3b, объем зоны деформации формируется в основании каждого вытрамбованного фундамента, уменьшается взаимное влияние фундаментов и снижаются осадки.
3
Использование вытрамбованных фундаментов позволяет снизить материалоемкость нулевого цикла в 1,5-2,0 раза, уменьшить объем земляных и опалубочных работ. Удельная несущая способность фундаментов в вытрамбованных котлованах составляет 820-1100 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 оптимальный шаг вытрамбованного шпального фундамента с учетом прочностных и деформационных свойств грунта.