Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

Рис. 1. Стадии реализации процесса реконструкции одноэтажного здания, соответствующие циклам нивелирования при наблюдениях за деформациями его основания:

а) 0-й, б) 1-й, в) 2-й и г) 3-й

Конструктивная схема объекта – смешанная. Несущими элементами является сетка железобетонных колонн с шагом 6 х 6 м, а также продольные и поперечные кирпичные стены. Фундаменты – мелкого заложения на природном основании, ленточные под стены и отдельно стоящие под колонны.

Основание до глубины 8,7 м сложено лессовидными суглинком и супесью, которые находятся в “деградированном” состоянии; эти грунты относятся к слабым (их модуль деформации E 5 МПа). Уровень грунтовых вод находится на расстоянии 2,5–3 м от подошвы фундаментов здания. Инженер- но-геологическая колонка представлена на рис. 2.

Цель настоящего исследования – определение характера деформаций основания фундаментов здания и их величин, возникающих на разных стадиях реализации проекта надстройки, а также сопоставление значений расчетных деформаций, полученных посредством моделирования объекта методом конечных элементов (МКЭ), и результатов нивелирования осадочных марок на натурном объекте.

131

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Условные обозначения:

ИГЭ-1. Насыпной грунт, почвеннорастительный слой.

ИГЭ-2. Суглинок лессовидный, полутвердый,

ИГЭ-3. Супесь лессовидная, пластичная,

Рис. 2. Инженерно-геологическая колонка на площадке надстройки одноэтажного здания магазина в г. Полтава

За деформациями основания фундаментов здания организовано геодезическое сопровождение. Нивелирование выполнялось по семи осадочным маркам, которые установлены в подвале здания на стенах (М-1, М-2, М-5)

ифундаментах колонн (М-3, М-4, М-6, М-7) (рис. 3). Согласно результатам геодезических наблюдений, наибольшие деформации разуплотнения основания произошли под подошвой фундаментов стен, где начальное среднее давление составляло р = 162 – 223 кПа. Среднее давление под подошвой фундаментов колонн значительно ниже (р = 106 – 151 кПа).

Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) системы ОФС здания магазина в процессе демонтажа существующих строительных конструкций и начального этапа реконструкции был выполнен силовой расчет здания.

Расчетная схема здания магазина выбрана в виде пространственной двухуровневой коробки (подвал + 1 этаж) с надподвальным перекрытием

ипокрытием, работающей на растяжение – сжатие и изгиб в двух плоскостях, сопровождающихся сдвигом и кручением. Коробка опирается на ленточные и отдельно стоящие фундаменты, заложенные на разной глубине.

Вкачестве основания использована модель с двумя коэффициентами постели (Власова – Пастернака) [6].

Для колонн, ригелей и перемычек проемов расчетная схема принята в виде в виде пространственного стержня с соответствующим поперечным сечением.

Для выполнения расчетов в программном комплексе расчетная схема промоделирована конечными элементами, общий вид модели расчетной схе-

132

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

мы и разбивка на конечные элементы показаны на рис. 4–6. Для модели приняты следующие конечные элементы:

–для стен, перекрытий, ленточных фундаментов и плитной части отдельно стоящих столбчатых фундаментов – оболочечный элемент с 6-ю степенями свободы в каждом узле;

–для колонн, перемычек, ригелей – стержневые элементы с 6-ю степенями свободы в каждом узле.

Рис. 3. Схема размещения деформационных марок на колоннах и стенах в подвале здания (указаны деформации после второго цикла нивелирования)

Рис. 4. Расчетная схема МКЭ здания магазина до реконструкции

133

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

а)

б)

Рис. 5. Расчетная схема МКЭ здания магазина в процессе демонтажа конструкций: а) 1-й и б) 2-й циклы нивелирования

Рис. 6. Расчетная схема МКЭ здания магазина на момент 3-его цикла нивелирования

134

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

Жесткостные параметры КЭ заданы в соответствии с даными натурного обследования. Для элементов, моделирующих кирпичную кладку, был определен модуль деформации в соответствии с нормативными документами Украины по проектированию каменных и армокаменных конструкций.

Для железобетонных колонн, ригелей, перемычек и блоков ФБС подвала, плит перекрытия и покрытия, парапетных плит, модули деформации заданы в соответствии с нормативными документами Украины по проектированию бетонных и железобетонных конструкций.

Коэффициенты постели основания вычислены для суглинка лессовидного с характеристиками: γII = 17,90 кН/м3, φII = 20º, Е = 3 МПа, сII = 24 кПа.

Нагрузки на расчетную схему принимались следующими:

постоянные – собственный вес всех конструкций и грунта;

временные – снеговая нагрузка для 5-го снегового района Украины;

–ветровая нагрузка для 3-го снегового района Украины;

–полезная нагрузка на перекрытие.

Статический расчет выполнен с помощью лицензионного программного комплекса SCAD для Windows (версия 11.5). При расчете были выполнены комбинации нагрузок в соответствии с нормативным документом Украины «Нагрузки и воздействия» и определены расчетные сочетания усилий для элементов. Расчет выполнялся в 4 этапа:

1)здание магазина до реконструкции (рис. 4);

2)в здании отсутствует конструкция кровли, парапет, откопан котлован по оси 6 и Д/4-6 (рис. 5а);

3)демонтированы парапетные плиты, отрыт котлован в осях 1 – 6 и по ряду Д, на покрытии отсыпан песок для строительных нужд (рис. 5, б);

4)устроены новые фундаменты по трем сторонам здания, по ним уложены плиты перекрытия на отм. 0,000 и смонтированы наружные металлические колонны (рис. 6).

Результаты расчетов представлены в табл. 1 значениями вертикальных деформаций основания в процессе демонтажа и пристройки здания магазина,

атакже осуществлено их сопоставление с данными геодезических наблюдений за указанный период. Из табл. 1 видно, что данные расчета и геодезической съемки достаточно близки, некоторое расхождение между значениями деформаций 3-го цикла объясняются тем, что на покрытии в момент съемки были устроены места складирования стройматериалов, что не могло не отразиться на результатах нивелирования, а в расчетах отмеченные особенности не всегда возможно учесть с достаточной точностью.

135

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1.Установлена удовлетворительная сходимость результатов расчетов системы ОФС с данными геодезических наблюдений.

2.В связи с этим, методику моделирования зданий, адекватно описывающую процессы, проиходящие в системе ОФС, возможно применять на ста-дии вариантного проектирования, выбора оптимальной схемы реконструкции и при установлении возможных рисков в процессе реконструкции.

Литература

1.Мангушев Р.А. Геотехника Санкт-Петербурга: Монография / Р.А. Мангушев, А.И. Осокин. – М.: Изд-во АСВ, 2010. – 264 с.

2.Улицкий В.М. Геотехническое сопровождение развития городов / В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин – СПб.: «Стройиздат Северо-Запад», Группа компаний «Геореконструкция», 2010. – 551 с.

3.Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий / Монография. – П.А. Коновалов, В.П. Коновалов. – М.: Изд-во АСВ, 2011. – 384 с.

4.Vynnykov, Y. The Use of Reserves of Bearing Capacity of Base and Foundations During Reconstruction of Buildings / Y. Vynnykov, N. Zotsenko, A. Yakovlev // Reconstruction of Historical Cities and Geotechical Engineering. – Proc. of Intern. Geotechnical Conf. Dedicated to Tercentenary of Saint Petersburg. – SPtb. – M.: ASV Publishers, 2003. – Vol.1. – P. 367 – 370.

5.Зоценко, Н.Л. Современная практика моделирования взаимодействия фундаментов с уплотненными основаниями при их возведении и последующей работе // Н.Л. Зоценко, Ю.Л. Винников // Численные методы расчетов в практической геотехнике: сб. статей науч.-

техн. конф. – СПб.: СПбГАСУ, 2012. – С. 164 – 171.

6.Перельмутер А.В. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа / А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер. – М.: Изд-во СКАД СОФТ, 2011. – 736 с.

136

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

УДК 624.154

М. И. Никитенко (Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Белорусь)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ВИБРОПРЕССОВАННЫХ СВАЙ

Вгеотехнической практике Беларуси свайным фундаментам принадлежит большая доля при строительстве и реконструкциях различных объектов, что обусловлено сложными инженерно-геологическими условиями застраиваемых участков, а также возрастанием нагрузок на фундаменты при увеличении этажности возводимых зданий и сооружений.

Впоследние годы стали популярными набивные сваи, устраиваемые

свытеснением в стороны и опрессовкой грунта за счет вибрационного погружения обсадных труб с теряемыми клинообразными или плоскими крышками на нижних торцах, либо конических пуансонов. Если первоначально использовались подвесные вибропогружатели (рис. 1, а), то затем их стали применять закрепленными подвижно на вертикальных направляющих стрелах буровых агрегатов типа ABI с передачей дополнительных вдавливающих усилий на погружаемые трубы или конические пуансоны (рис. 1, б). Характерно, что вибрационный способ оказывается эффективнее ударного также и при погружении готовых железобетонных свай в любых грунтах за счет большей скорости и меньших динамических воздействий на смежные строения. В то же время положительное влияние вибрации проявляется в уплотнении бетонной смеси при заполнении ею стволов свай и выштамповывании уширений под их нижними концами при помощи внутренней трубы-штампа

(рис. 2).

Накопленный нами опыт применения вибрационной технологии устройства буронабивных свай выявил, помимо отмеченных выше, следующие ее особенности и достоинства.

Воднородных слабых глинистых грунтах с близкой к текучей консистенцией, а также в рыхлых песках проходку скважин до проектных глубин целесообразно производить погружением обсадных труб с заглушенными нижними концами. Это может достигаться при помощи теряемых крышек

суплотнителями по торцам труб для предотвращения проникновения воды или разжиженного глинистого грунта во внутренние их полости.

При наличии в основании по длине свай прослоев более прочных грунтов или переуплотненных погребенных торфов, препятствующих погружению обсадных труб на проектные глубины, возникает необходимость в предварительной проходке через эти прочные грунты и упругие погребенные торфы лидерных скважин при помощи шнеков или за счет погружения обсадных труб с открытыми нижними концами. В таком случае, особенно при

137

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

наличии подземной воды, грунт из внутренней полости обсадки целесообразно вычерпывать при помощи желонки, оставляя уплотненную пробку из минерального грунта мощностью, при которой исключается его размыв за счет разности напоров воды снаружи и внутри трубы. Такая пробка далее должна вытесняться ниже торца обсадки при помощи погружаемой внутренней трубы с теряемой крышкой внизу, а в нее погружают арматурный каркас и подают бетонную смесь, которая при извлечении за счет вибрации обеих труб будет заполнять создаваемый ими зазор с пустотами в окружающем грунте и уплотняться. Подобный подход использован и оправдал себя на ряде объектов.

Рис. 1. Погружение обсадной трубы вибратором подвесным (а) или конического пуансона на направляющей стреле бурового станка ABI (б) при проходке скважин для буронабивных свай

138

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

грунта при его опрессовке от вытеснения в промежутки между столбами. Такие конструктивно-технологические решения геомассивов оказались весьма эффективными и более экономичными в сравнении со свайными фундаментами на ряде объектов в г. Минске.

При проходке скважин коническим пуансоном происходит интенсивная опрессовка грунта в боковом направлении и вниз между ними. Поэтому в пластичных глинистых грунтах для исключения выдавливания вверх вместе со смежными сваями рекомендуется устраивать последующие в рядах (см. рис.2) на удалении от ранее забетонированных в два промежутка между ними. Помимо этого целесообразно применять щадящий режим вибрации с чередованием кратковременных интервалов ее прекращения. Такой режим, примененный по рекомендации автора, позволил устранить опасные резонансные процессы при выполнении свай в водонасыщенных грунтах, в которых динамические колебания передаются на большие расстояния. При этом на удалении от источника вибрации возникает большая вероятность совпадения частот собственных колебаний вибропогружателей при их запуске и прекращении работы с вынужденными колебаниями конструкций в зданиях

исооружениях, что и наблюдалось на ряде объектов. Более эффективны в таких условиях так называемые «безрезонансные» вибропогружатели с интенсивной передачей вибрации вниз.

Следует обратить внимание на еще одну очень важную особенность

идостоинство технологии устройства вибропрессованных свай.

Как известно, при погружении сваи, в том числе и обсадной трубы с вытеснением грунта в стороны, о его сопротивлении в основании свидетельствует значение так называемого отказа. В качестве такого параметра служит погружение сваи при ударном способе от одного удара, а при вибрационном – за минуту воздействия вибропогружателя. С учетом этого в нормативных документах стран СНГ приводится обобщенная формула зависимости между значениями сопротивлений грунтов оснований и отказами при погружении свай обоими вышеназванными способами. Эта формула учитывает соответствующие параметры погружателей, т. е. вес ударной части свободно падающего молота или вес вибропогружателя и создаваемая им эквивалентная расчетная энергия, определяемая по величине возмущающей силы в кН, причем без дополнительного передаваемого агрегатом прижимного усилия.

Таким образом, при вибрационном погружении обсадных труб с теряемой крышкой на нижнем торце или уплотненной пробкой внизу трубы по величине фиксируемого отказа при достижении ею соответствующей глубины представляется возможным определить прогнозируемые значения несущей способности основания и допускаемую нагрузку на каждую сваю. С этой целью для каждой сваи фиксируют и отражают в журнале производства работ значения отказов при погружении обсадных труб.

Такой подход автором рекомендован и использовался в процессе научного сопровождения работ при устройстве всех вибронабивных свай для

139

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

свайно-плитных фундаментов для отеля «Хайят» в сложных инженерно- геологи-ческих условиях на берегу р. Свислочь в г. Минске. Данный объект стал первым, где практически все выполненные виброштампованные сваи подверглись динамическим испытаниям. Построенные графические зависимости несущей способности оснований свай от вычисленных значений отказов при вибропогружении обсадных труб для используемых механизмов позволили определить допускаемые нагрузки на сваи. В этой связи удалось выявить зоны, где характер и мощности слоев грунтов не были выявлены разведочными выработками (буровыми скважинами или точками зондирования), а фактические их свойства оказались значительно хуже исходных данных по результатам изысканий. В таких зонах несущие способности оснований свай при проектных их глубинах оказались недостаточными для восприятия расчетных нагрузок. В создавшейся ситуации благодаря сделанному прогнозу были приняты необходимые меры по исключению отрицательных последствий. Эти меры сводились к выполнению дополнительных свай или упрочнению грунта под фундаментными плитами в соответствующих зонах. В ряде случаев при малом сопротивлении грунта под нижними концами погружаемых труб было рекомендовано выштамповывать уширения из сухой бетонной смеси пока не будут достигнуты расчетные значения отказов для получения проектных величин усилий на сваи.

Заказчик этого объекта поступил мудро, не ограничившись минимальным количеством статических испытаний свай, и затратил обоснованные средства на увеличение их числа, профинансировал научное сопровождение работ нулевого цикла и уделил должное внимание через свой технический надзор строгому соблюдению рекомендаций по динамическим испытаниям практически всех свай на объекте. В итоге получена требуемая степень эксплуатационной надежности фундаментов и надземных конструкций здания.

Поскольку выполнение статических испытаний буронабивных свай определяется сроком набора прочности бетоном стволов, протекающим особенно длительно в глинистых грунтах. По этой причине обычно замедляется начало массового изготовления свай. При проходке скважин для свай погружением обсадных труб и при выштамповывании уширений под их нижними концами из сухих бетонных смесей становится возможным ускорить статические испытания свай посредством передачи нагрузки на эти трубы, сопротивление грунта вдоль которых и под их нижними концами практически идентично со стволами свай. Помимо этого такие доли сопротивлений грунта можно фиксировать раздельно. При этом вдавливающая нагрузка на грунт под нижним концом или выштампованной пятой передается сначала через внутреннюю трубу-штамп, а затем выдергиванию подвергается наружная обсадная труба, к которой приваривается рама из швеллеров для упора гидродомкрата, размещаемого поверху внутренней трубы.

Использование конических пуансонов и форм бетонируемых стволов повышает эффективность виброштампованных свай. Распорный эффект при

140