СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ СООРУЖЕНИЙ
METHOD TO REINFORCE STRUCTURE FOUNDATION BASES

Изобретение относится к строительству, а именно - к возведению оснований и фундаментов строящихся зданий, усилению и реконструкции существующих сооружений.
Способ основан на управлении геомеханическими процессами в грунтовом массиве. Под управлением геомеханическими процессами понимают реализацию совокупности способов, позволяющих в процессе строительства и эксплуатации сооружения целенаправленно изменять состав, строение, свойства и состояние массива грунтов, в т.ч. и напряженно-деформированное, и обеспечить развитие процессов его деформирования в заданных направлениях, объемах и в установленных пространственно-временных пределах.
Известен способ усиления фундамента сборными клиновидными элементами (В.И.Берман. Серия: Специальные строительные работы. Экспресс-информация. №6, М., 1983. - С.39-42).
Недостатки рассматриваемого способа заключаются в том, что используемые клиновидные элементы объединяют с существующим фундаментом в единую конструкцию, не позволяющую реализовать принципы независимой работы ограждающих элементов и фундамента, что приводит к недостаточному укреплению грунтов основания и возможности деформации клиновидных элементов и окружающего их массива грунтов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ усиления основания существующего фундамента буронабивными сваями, расположенными по его контуру на глубину, обеспечивающую необходимую несущую способность, и сопряженными с ним (см. B.C.Князьков. Возведение и усиление фундаментов в стесненных условиях городской застройки. Рис.2. - Нижегородский проект №7, 2002. - С.31-32).
В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующие:
- совместная работа свай и существующего фундамента как одной целой конструкции;
- технологические трудности, связанные с обеспечением надежного сопряжения свай с фундаментом и необходимостью погружения свай до отметки, обеспечивающей требуемую их несущую способность в стесненных условиях.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности укрепления оснований фундаментов сооружений на дисперсных грунтах.
Сущность изобретения состоит в том, что способ укрепления фундаментов сооружений, включающий установку по периметру фундамента ограждения, отсыпку оснований и возведение фундамента, отличается тем, что ограждение выполняют из отдельных вертикальных элементов, установленных с расстоянием между их осями, достаточном для образования арочного эффекта между ними, и погружаемых до глубины, соответствующей зоне сжатия основания фундаментом, отсыпку основания производят из крупнозернистого материала, толщину слоя и размер зерен которого выбирают из условия обеспечения максимальной величины сил трения материала по элементам ограждения, а фундамент сооружают с зазорами между ним и элементами ограждения, обеспечивающими свободное вертикальное перемещение фундамента.
Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве элементов, реализующих способ укрепления оснований фундаментов сооружения на основе управления геомеханическими процессами в грунтовом массиве, используют: ограждение из отдельных вертикальных элементов, погруженных до глубины зоны сжатия грунта и с расстоянием между ними, обеспечивающим возникновение арочного эффекта, слой крупнозернистого материала, расположенного под фундаментом; при этом толщина слоя и размер его частиц обеспечивает возникновение максимальных сил трения по поверхности элементов в пределах этого слоя за счет его силового взаимодействия с фундаментом, сооруженным с зазором между ним и внутренними поверхностями вертикальных элементов.
Способ можно объяснить следующим образом.
При определении осадок фундамента, условно выделяют в грунте под центром его подошвы вертикальную призму высотой от уровня подошвы до глубины активной зоны сжатия, которая соответствует такой глубине, ниже которой деформациями грунтовой толщи можно пренебречь. К известным критериям оценки геомеханического состояния дисперсных массивов грунта относят оценку его напряженно-деформированного состояния, основанную (применительно к предлагаемому способу) на учете вертикальных сжимающих напряжений, действующих по оси выделенной грунтовой призмы в условиях невозможности бокового расширения грунта. Следует отметить, что в реальных условиях дисперсные грунты, находящиеся под подошвой фундамента, в большинстве случаев работают при ограниченной возможности бокового расширения.
*
Применяемая в настоящее время в рамках существующих Строительных норм и правил (СНиП 2.02.01-83) расчетная модель основания в виде линейно-деформируемой сплошной среды предполагает ограничение среднего давления на основание таким пределом, при котором области возникающих пластических деформаций лишь незначительно нарушают линейную зависимость между напряжениями и деформациями в грунтовом массиве, т.е. его линейную деформируемость. При этом должен быть исключен выпор грунта из-под подошвы фундамента на дневную поверхность, а формулы для расчета напряжений приняты из теории упругости.
Таким образом, принятая в нормах расчетная модель соответствует вполне определенному геомеханическому состоянию массива грунтов, где для перехода от условий невозможности бокового расширения грунта под подошвой фундамента к его ограниченности, вводится коэффициент β=0,8, характеризующий боковое расширение грунта, как функция коэффициента относительной поперечной деформации µ. Согласно традиционным подходам, значения µ задаются в пределах от 0,1 до 0,5 (Н.А.Цытович. Механика грунтов. - М.: Высшая школа, 1983. - C.117).
При наличии в основании сооружения слабых грунтов, например текучих с µ=0,5, резко возрастает влияние горизонтальных нормальных напряжений на его осадку. В настоящее время имеются сведения о том, что величина µ, определенная экспериментально, в условиях сложного напряженного состояния может превышать значение 0,50, что приводит к затруднениям в выборе величин µ, и модуля деформации грунта Е, как важнейших параметров в формуле расчета осадок фундаментов. В связи с этим, для эффективного использования оснований фундаментов, в грунтовом основании создаются специальные условия для деформирования, позволяющие осуществлять прогноз и управление этим процессом, например, условия невозможности бокового расширения грунта, соответствующие вполне определенному виду напряженно-деформированного состояния и параметрам Е и µ.
Создание в грунтовом массиве условий невозможности бокового расширения грунта (компрессии) и будет являться реализацией заявляемого способа на основе управления геомеханическими процессами в грунтовом массиве. Это достигается путем погружения в грунт по периметру фундамента вертикальных элементов с расстоянием между их вертикальными осями, достаточном для образования арочного эффекта между элементами, реализация которого в натурных условиях обеспечивает условия невозможности бокового расширения грунта в массиве под фундаментом.
Элементы погружаются в грунт до глубины зоны сжатия основания фундаментом, при этом зазор между внутренними поверхностями элементов и фундаментом обеспечивает свободное вертикальное перемещение фундамента. В этом случае в основании фундамента - в грунтовом массиве обоснованно реализуется классическая схема компрессионного сжатия грунта, где в качестве боковых стенок компрессионного прибора выступают вертикальные элементы, а фундамент играет роль поршня. Управление геомеханическим состоянием массива дисперсных грунтов заключается в целенаправленных изменениях: свойств грунта в процессе его сжатия без возможности бокового расширения; напряженно-деформированного состояния выделенной призмы грунта под подошвой фундамента; а также в обеспечении развития процессов деформирования призмы только в вертикальном направлении и в заданный период времени в зависимости от состояния грунта.
Положительным моментом реализации схемы компрессионного сжатия грунта под фундаментом является наличие в этом случае признанных и научно-обоснованных зависимостей между напряжениями и деформациями грунта. Параметры этих зависимостей входят в расчетные формулы и позволяют их однозначно рассматривать как количественные характеристики механических свойств грунта.
При реализации рассматриваемого способа, заключающегося в создании в грунтовом массиве под фундаментом условий невозможности бокового расширения грунта, происходит реализация целенаправленного изменения сжимаемости грунта в вертикальном направлении, т.к. величина Е увеличивается в среднем на 20%, что приводит к уменьшению осадок фундамента. Главным итогом реализации создания условия компрессии под фундаментом является обеспечение развития процессов деформирования в объеме выделенной призмы грунта только в вертикальном направлении, при отсутствии боковых деформаций и в заранее установленный опытным путем промежуток времени. Таким образом, в грунтовом массиве целенаправленно создаются условия, способ реализации которых может рассматриваться как способ управления геомеханическими процессами в массиве дисперсных грунтов.
На фиг.1 показаны фундамент 1, котлован 2, вертикальные элементы 3, слой уплотненного крупнозернистого материала 4, силы трения 5, возникающие при взаимодействии крупнозернистого материала с вертикальными элементами, силы трения 6 обратного знака, возникающие при взаимодействии вертикальных элементов с естественными грунтами основания, жесткие балки 7, объединяющие вертикальные элементы, активная зона 8 фундамента. На фиг.2 показан вид сверху.
Способ можно объяснить следующим образом.
При передаче нагрузки N на фундамент 1 в котловане 2, ограниченном по периметру вертикальными элементами 3, и расположенный на слое крупнозернистого материала 4, в пределах его толщины, по боковым поверхностям вертикальных элементов возникают силы трения 5, инициирующие силы трения 6 обратного знака, действующие в массиве грунта природного сложения. Таким образом, в работу системы «основание - фундаменты» включаются вертикальные элементы 6, передавая часть нагрузки N на фундамент 1 за счет реализации сил трения 6 на массив грунта, тем самым снижая общую величину осадки фундамента. Варьируя размерами 1 (толщиной слоя крупнозернистого материала) и L (мощностью слоя природного грунта в пределах длины вертикального элемента), можно управлять геомеханическим состоянием массива грунта не только в пределах выделенной призмы внутри ограждения из вертикальных элементов, но и вне его, т.к. в этом случае возникает новое напряженное деформированное состояние массива грунтов.
Создание в верхней части активной зоны 8 фундамента 1 области повышенной жесткости с достаточно однородными характеристиками сжимаемости за счет отсыпки слоя уплотненного крупнозернистого материала 4 позволяет дополнительно регулировать величину осадки фундамента 1 в сторону ее уменьшения. Исключение перемещения грунта из-под фундамента 1 в горизонтальном направлении достигается созданием зазора между вертикальными элементами 3, при котором возможно возникновение арочного эффекта, препятствующего этому перемещению.
Величина зазора может быть рассчитана по известной формуле, позволяющей найти расстояние между сваями подпорной стенки, воспринимающей оползневое давление.
Способ осуществляется следующим образом:
- с дневной поверхности грунтового массива или со дна выемки 2 производят погружение вертикальных элементов 3 с шагом, обеспечивающим возникновение между ними арочного эффекта и на глубину, равную глубине активной зоны 8;
- поверх вертикальных элементов 3, с целью их объединения в единую конструкцию, устанавливают жесткие монолитные железобетонные балки 7;
- производят разработку котлована 2 внутри контура из вертикальных элементов 3 на глубину, равную заранее рассчитанной глубине слоя из крупнозернистого материала 4;
- осуществляют послойную с уплотнением отсыпку всего слоя из крупнозернистого материла 4;
- производят монтаж сборного или заливку монолитного фундамента 1, причем с выполнением зазоров между поверхностями фундамента и вертикальных элементов;
- передают на фундамент 1 нагрузку N, тем самым инициируя его вертикальное перемещение, что в свою очередь, вызывает возникновение сил трения 5 и 6, реализацию условий вертикального деформирования грунта при исключении возможности бокового расширения грунта под фундаментом.
В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:
- в уменьшении абсолютных осадок фундаментов до величин, регламентированных нормами;
- в исключении недопустимой неравномерности осадок фундаментов сооружения за счет управления геомеханическими процессами в грунтовом массиве;
- в повышении эффективности укрепления оснований фундаментов сооружений.