Оценка закрепления основания методом пневмотрамбования щебёночно-цементной смеси

Через 72 года службы фундаментных угольников в пути напряжения в них достигнут допускаемых, равных 125,0 МПа, т. е. увеличатся по сравнению с напряжениями в новых фундаментных угольниках в 2,5 раза. Таким образом, предельный срок службы фундаментных угольников по кри -терию «коррозия» составляет 72 года.

Определяющим для фундаментных угольников следует принять срок службы в 50 лет как вполне работоспособный по критерию «коррозия».

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что при использовании фундаментных угольников в стрелочной гарнитуре в рассмотренной выше схеме стрелочный перевод приобретает значительную надежность при его эксплуатации. Приведенные математические расчеты показывают, что данное предложение по изменению стрелочной гарнитуры повышает срок службы стрелочного перевода в целом.

Библиографический список

1. Электрическая централизация стрелок и сигналов / А. А. Казаков. - М.: Транспорт, 1968. - С. 38^4.

2. А. с. СССР № 1533929. Гарнитура стрелочного электропривода / В. И. Абросимов, В. В. Гниломедов // Бюл. № 1. - 1990.

3. Надежность и эффективность в технике / ред. В. И. Кузнецов. - М.: Машиностроение, 1990.

Общетехнические и социальные проблемы

УДК 624.154.9

С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко

ОЦЕНКА ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ МЕТОДОМ

ПНЕВМОТРАМБОВАНИЯ ЩЕБЁНОЧНО-ЦЕМЕНТНОЙ СМЕСИ

Статья посвящена исследованию уплотнения грунтов под подошвой существующих фундаментов в условиях слабых глинистых грунтов Санкт-Петербурга. Технология закрепления заключается в втрамбовывании в основание фундаментов щебёночноцементной смеси с помощью пневмопробойников. На основе проведённого натурного эксперимента предполагается инженерный метод расчёта закреплённого основания по двум предельным состояниям.

закреплённые основания, выштампованная цементно-щебёночная микросвая. Введение

В настоящее время всё более актуальным становится вопрос о надстройке на существующие здания дополнительных этажей. Основания, представленные слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами, не всегда способны воспринимать на себя дополнительные нагрузки. В этом случае возникает необходимость усиливать основания под существующими фундаментами для надёжной и безаварийной работы данных зданий при увеличения этажности.

Одним из способов улучшить прочностные характеристики глинистых грунтовых оснований является применение методов втрамбовывания щебёночно-цементной смеси (микросвай) под существующие фундаменты. Подобный способ усиления был использован в здании по адресу: Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 3, где были выполнены работы по уплотнению оснований под ленточными фундаментами с помощью выштампо-ванных цементно-щебёночных микросвай. Необходимость усиления основания была вызвана проектной надстройкой здания на два этажа и слабыми грунтовыми условиями. В основаниях фундаментов залегали суглинки -лёгкие, пылеватые, мягкопластичные.

1 Технология устройства щебёночно-цементных микросвай на объекте по адресу: Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 3

Выштампованные цементно-щебёночные микросваи выполнялись с двух сторон подошвы существующих ленточных фундаментов. Шаг свай под наружные стены составлял 0,9 м, под внутренние - 0,8 м. Угол наклона свай по проекту 20°, 30° и 45° к вертикали.

Выштампованные сваи изготавливались в следующем порядке:

1) пневмопробойником в водонасыщенном глинистом основании под подошвой существующих фундаментов пробивается скважина глубиной до 2,0 м, диаметром 135-200 мм;

2) после извлечения пневмопробойника скважина засыпается смесью щебня с цементом в соотношении 4 : 1, и сквозь эту засыпку скважина пробивается заново;

3) эта операция повторяется 5-10 раз в зависимости от степени уплотнения глинистого грунта. На рисунке 1 представлена схема усиления основания фундаментов выштампованными микросваями.

Рис. 1. Схема усиления основания фундаментов выштампованными микросваями

Для исследования физико-механических свойств уплотнённого глинистого основания между микросваями были отобраны монолиты грунтов ненарушенной структуры. Образцы отбирались из шурфов на глубине 0,3 м ниже подошвы фундамента и на расстоянии 0,2...0,3 м от края подошвы фундамента. Испытание образцов грунта производилось в лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС.

2 Влияние динамического фактора на основания и конструкции фундаментов при выполнении работ пневмопробойником

Для исследования динамического фактора при производстве работ был проведён вибромониторинг (измерение вибрационного ускорения) при работе пневмопробойника.

В качестве критерия предельно допустимого значения виброускорения на фундаменте здания в диапазоне частот 0...100 Гц было принято Апред = 0,15 м/с2 [1].

Для измерения вибрационных ускорений использовались измерительные приборы фирмы «Брюль и Къер»: виброизмерительный преобразователь, усилитель заряда и цифровой анализатор спектра. В процессе измерений в реальном масштабе времени выполнялись измерения вибрационного ускорения в диапазоне частот 0.100 Гц. Сигнал с виброизмерительного преобразователя, пропорциональный вибрационному ускорению в измерительной точке, подавался через усилитель заряда на вход анализатора спектра, работающего в режиме пикового усреднения (PEAK AVERAGING). Усреднение производилось в диапазоне частот 0.100 Гц.

Проведенный виброконтроль измерения динамического воздействия от пневмопробойника при изготовлении выштампованных микросвай на существующие конструкции фундаментов показал, что в течение всей работы пневмопробойника значения вибрационного ускорения не превышали величин, установленных нормативными документами [1].

Это значит, что вибрационное воздействие от пневмотрамбования при изготовлении микросвай не оказывает существенного влияния на грунты основания и фундаментные конструкции.

3 Определение расчётного сопротивления грунта закреплённого слоя основания щебёночно-цементными микросваями

Для оценки прочностных свойств закреплённого основания были проведены испытания по определению величин (угла ф внутреннего трения) уплотнённого грунта под подошвой фундамента и материала микросваи (щебень с цементом 4 : 1).

Как известно, увеличение давления Pj под подошвой фундамента от величины Рн кр (начальной критической величины по Н. П. Пузыревскому) до R (расчётного сопротивления основания) вызывает развитие областей пластических деформаций т в основании. При достижении условия Pj = R области (зоны) пластических деформаций развиваются на глубину 0,25В (ширины подошвы фундамента) под краями ленточного фундамента. Исходя из этого условия, объём V областей пластических деформаций в первом приближении будет включать в себя объём уплотнённого грунта основания V^ и объём Vm части щебёночно-цементной микросваи уплотнения (рис. 2):

V = V + V .

гр щ

Области пластических деформаций т, или полосы локализованного сдвига, формируются в основном вдоль осей, расположенных под углом ф к вертикали. Следовательно, испытания на плоский сдвиг в стандартных сдвиговых приборах в данном случае должны проводиться для образцов грунта, вырезанных из керна под углом ф к вертикали. Поскольку при стандартных испытаниях получить такие образцы практически не удаётся, целесообразно в первом приближении вычислять средние значения угла внутреннего трения между результатами горизонтального и вертикального сдвига.

а)

Pi

т

Рис. 2. Схема развития зон пластических деформаций т под подошвой фундамента: а - при Pi = Рн.кр; б - при Pi = R

В геотехнической лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС были проведены испытания образцов уплотнённых глинистых грунтов на плоский сдвиг при ориентации сдвигов (поверхностей скольжения) от 0° до 90° к вертикали. Это позволило выявить среднее значение угла внутреннего трения уплотнённого суглинка - грунта основания фгр = 20° при ориентации площадки под углом 45° к вертикали.

Тогда средневзвешенное значение угла внутреннего трения фср закреплённого основания (грунт + микросвая) в объёме V может быть определено из условия:

?

Ф ср

Ф гр • Угр + Ф щ • Ущ

V + V

гр щ

где фгр - среднее значение угла внутреннего трения грунта, полученное при испытаниях;

фщ - угол внутреннего трения для материала сваи (щебня и цемента).

Полученная величина средневзвешенного угла внутреннего трения закрепленного основания фср позволила определить (с помощью программы NL [2]) величину расчётного сопротивления грунта усиленного основания. В таблице 1 показан фрагмент решения из программного расчёта (программа NL [2]) для грунтов основания до усиления (характеристики грунтов были взяты из отчёта геологических изысканий), ширина фундамента была принята размером 1,4 м. В таблице 2 представлен фрагмент решения для осреднённых характеристик основания после закрепления.

ТАБЛИЦА 1. Характеристики грунтов несущего слоя, взятые до усиления

Принятая ширина подошвы фундамента B, м Расчетное сопротивление R, кПа Среднее давление под подошвой Рср, кПа Максимальное давление под подошвой Р макс кПа Предельное сопротивление Рпр, кПа Полученная осадка S, см Коэффициент надежности Кн

1,40 112,45 17,77 17,77 158,57 0,21 8,03

ТАБЛИЦА 2. Осредненные характеристики грунтов несущего слоя

Принятая ширина подошвы фундамента B, м Расчетное сопротивление R, кПа Среднее давление под подошвой Рср, кПа о ю m Э § g се се сг * S з s к с 1 О 5 и g О в) S ^ ^ К <л CD ч ю се ч Предельное сопротивление Рпр, кПа Полученная осадка S, см Коэффициент надежности Кн

1,40 249,14 17,77 17,77 281,76 0,18 14,27

Как видно из таблиц 1 и 2, закрепление связных грунтов основания с использованием выштампованных цементно-щебёночных микросвай позволяет повысить несущую способность данного основания практически в два раза (R увеличилось с 112,45 до 249,14 кПа, Рпр - с 158,57 до 281,76 кПа).

4 Штамповое испытание закреплённого основания

Для проверки предложенного теоретического метода осреднения характеристик грунтового основания посредствам фСр было принято решение провести полевое штамповое испытание закреплённого основания. Для проведения испытания была подготовлена часть существующего ленточного фундамента размерами в плане 0,8 м на 0,6 м и высотой 0,6 м. Этот фундамент служил в качестве штампа. Основание под штампом было предварительно усилено выштамповаными микросваями (смесь цемента со щебнем [3]) в количестве трёх штук диаметром 200-220 мм, длиной 2 м. Диаметр свай был выбран пропорционально размерам фундамента. Для выравнивания верхней нагрузочной поверхности штампа к его углам были приварены металлические уголки и уложена металлическая пластина. На рисунке 3 показан общий вид штампа на момент проведения испытаний с установленным домкратом и прогибомерами.

Для измерения деформаций была установлена реперная система на расстоянии 1,2 м от края штампа (расстояние было выбрано из расчета отсутствия влияния деформируемого основания на показания прогибомеров). Прогибомеры для измерения осадки штампа были прикреплены к реперной системе специальными струбцинами.

3

4

5 2 1

Рис. 3. Общий вид проведения испытаний:

1 - штамп (ж.-б. фундамент) размерам 0,8*0,6; 2 - домкрат;

3 - прогибомеры; 4 - металлическая труба-стойка 0 150 мм;

5 - реперная система

Домкрат для подачи давления на штамп был предварительно оттари-рован в лаборатории кафедры «Прочность материалов» ПГУПС. В испытаниях были использованы прогибомеры часового типа с ценой деления 0,01 мм, домкрат с максимальной степенью нагружения до 40 тонн с гидравлической станцией. Дополнительно была предусмотрена система при-груза (мешки с щебнем и песком) на балку перекрытия первого этажа зда-

ния, в которую упирался домкрат. По мере увеличения давления на фундамент пригруз также увеличивали (суммарная масса пригруза составила примерно 8 тонн).

Штамповые испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 20276-99 [4]. После стабилизации деформаций от первой ступени наружения прикладывали вторую и последующие ступени нагрузки по

1,5 тонны и выдерживали до условной стабилизации 0,1 мм за последний час наблюдений. Испытания проводились до давления на штамп 27 тонн (583,4 кПа). По результатам испытаний был построен график зависимости осадки закреплённого глинистого грунтового основания (микросваи) от прикладываемого давления (рис. 4). Модуль общей деформации грунта Ео для осредненного закрепленного основания в первом приближении был определён по формуле Шлейхера-Буссинеска на основании проведённого эксперимента (см. линию 2 на рис. 4) и составил 12,5 Па:

E =

w-Pj • Ь -

S

где Ю - коэффициент жёсткости штампа; Pj - давление; Ь - ширина подошвы штампа; р - коэффициент Пуассона.

P, кПа

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Рис. 4. График зависимости осадки S, мм, закреплённого глинистого грунтового основания (микросваи) от прикладываемого давления Pj, кПа (график построен на основании штампового испытания):

1 - экспериментальная зависимость S = S(Pj); 2 - линейная зависимость S = S(Pj) по первым шести ступеням нагрузки; R - величина расчётного сопротивления грунта при осреднённом однородном основании 5 Расчётная оценка закреплённого микросваями грунтового основания

Полученная экспериментальная зависимость S = S (Pj) сравнивалась с расчётными данными, вычисленными по программе NL [2]. Результаты вычислений (табл. 3-6) и их графическая интерпретация (рис. 7) позволяют сделать вывод о достаточно хорошем совпадении (расхождение до

6,8%) расчётных и измерительных величин в диапазоне изменения давлений до величины R.

ТАБЛИЦА 3. Слой № 2: закреплённое осредненное однородное грунтовое основание

ч о ч о о. Мощность Удельный вес Прочностные характер истики Деформативные характер истики Коэффи- циенты

к S о К К со S г4’ го S £ п аЗ & & п аЗ & (N 03 5 о 03 5 o' 03 5 Ь? =L Плот- ность сложения грунтов G г4* С г41

1 0,3 19,1 19,5 13 15 11 13 11000 0,3 Слабый 1,2 1,1 1

2 0,6 19 19,4 25 28 15 18 12500 0,3 Средней плотно- сти 1,2 1,1 1

3 3,5 19,1 19,5 13 15 11 13 13000 0,3 Слабый 1,2 1,1 1

4 6 19,5 19,9 9 10 10 10 7500 0,3 Слабый 1,2 1,1 1

ТАБЛИЦА 4. Данные по фундаменту

Номер фундамента, сечения Штамп

Тип фундамента Столбчатый

Тип стены Внутренняя

Соотношение сторон подошвы фундамента 1,3

Жесткость фундамента 0,88

Высота фундамента 0,6 м

Глубина заложения фундамента 0,3 м

ТАБЛИЦА 5. Нагрузки

N, кН Qb, кН Mb, кНм Ql, кН Ml, кН-м

30 0 0 0 0

45

60 Мо (елирование ступенча-

75 того нагруж :ения

90

105

120

135

ТАБЛИЦА 6. Результаты расчёта (в соответствии со ступенями

нагружения)

Принятая ширина подошвы фундамента B, м Расчетное сопротивление R, кПа Среднее давление под подошвой Рср, кПа Максимальное давление под подошвой Рмакс, кПа Предельное сопротивление Рпр, кПа Полученная осадка S, см Коэффициент надежности Кн

0,60 228,99 70,10 70,10 271,17 0,31 3,48

0,60 228,99 102,15 102,15 271,17 0,45 2,39

0,60 228,99 134,21 134,21 271,17 0,59 1,82

0,60 228,99 166,26 166,26 271,17 0,73 1,47

0,60 228,99 198,31 198,31 271,17 0,87 1,23

0,60 228,99 230,36 230,36 271,17 1,02 1,06

0,60 228,99 262,41 262,41 271,17 1,80 0,93

0,60 228,99 294,46 294,46 271,17 100,00 0,83

Pi, кПа

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Рис. 7. Графики зависимости осадки S, мм, закреплённого глинистого основания (микросвай) от прикладываемого давления Pi, кПа:

1 - эксперимент; 2 - раcчёт по программе NL; R - величина расчётного сопротивления грунта для закреплённого осреднённого однородного основания

Следовательно, предложенный инженерный метод расчёта, основанный на осреднении характеристик грунтового основания и цементнощебёночных микросвай, можно применять в расчётах при передаче давления до величины, равной расчётному сопротивлению грунта.

Заключение

Результаты проведённых экспериментов, лабораторных исследований и выполненных вычислений позволяют сделать следующие выводы.

1. Использование виброштампованых щебёночно-цементных микросвай позволяет закрепить глинистое грунтовое основание под существующими фундаментами при допустимых динамических воздействиях [1]. Прочностные свойства закреплённого глинистого основания могут в первом приближении определяться на основе средневзвешенного осреднённо-го значения угла внутреннего трения фср для уплотнённого глинистого основания и материала щебёночно-цементных микросвай.

2. Расчёт закреплённых оснований в пределах линейной деформации грунтов (до величины давления, равной R) на основе осреднённых значений угла внутреннего трения фср имеет удовлетворительное совпадение с экспериментальными (штамповыми) испытаниями и потому рекомендуется к использованию.

3. Применение метода уплотнения глинистых оснований под фундаментами существующих зданий с использованием виброштампованых щебёночно-цементных микросвай усиления (на примере здания по ул. Севастьянова, д. 3) позволяет повысить расчётное сопротивление основания более чем в два раза и таким образом догрузить основание устройством дополнительных этажей. Использование данного метода усиления в подобных грунтовых условиях для других объектов должно решаться на основе лабораторных исследований уплотнённого грунта и материала микросваи - по индивидуальному проекту.

4. Закрепление глинистого основания щебёночно-цементными микросваями изменяет НДС основания и позволяет передавать давление, превышающее расчётное сопротивление основания. В этом случае в работу нагруженного основания включаются элементы микросвай, позволяя увеличить несущую способность основания. Оценка несущей способности при такой работе НДС может быть осуществлена на основе численного решения с использованием МКЭ, что является направлением дальнейших исследований.

Библиографический список

1. ТСН 50-302-2004. Санкт-Петербург. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. - 46 с.

2. Автоматизированный метод расчёта фундаментов по двум предельным состояниям / С. И. Алексеев. - Псков: Псковский политехнический ин-т Санкт-Петербургского гос. техн. ун-та, 1996. - 206 с.

3. Исследование уплотнённых грунтов основания здания по адресу: СПб., ул. Севастьянова д. 3, (гостиница «Турист») : отчет на оказание научно-технических услуг. -СПб.: ПГУПС, 2006.

4. ГОСТ 20276-99. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. - 18 с.

УДК 65.37:20.18

С. Г. Бондарь, Л. Ф. Ямалтдинова