Лотковое моделирование применения коротких свай в свайных фундаментах с низким ростверком
Лотковое моделирование применения коротких свай в свайных фундаментах с низким ростверком
На сегодняшний день в Санкт-Петербурге весьма популярна уплотнительная застройка. Сложность геотехнического проектирования и высокая стоимость работ нулевого цикла при строительстве новых сооружений обусловлена наличием достаточно большой толщи слабых грунтов в основании здания.
Введение
Наиболее подходящие для заделки острия сваи моренные слои грунта на территории Санкт-Петербурга располагаются на глубине от 25 до40 м. Однако даже при устройстве таких свай их работу нельзя охарактеризовать как работу свай-стоек. Не редко приходится отказываться от проектирования столь длинных свай, заменяя их более короткими сваями трения.
При проектировании сооружений на естественном основании не редко возникает такая ситуация, когда давление по подошве фундамента превосходит значение расчетного сопротивления в 1,5–2 раза. В этом случае в соответствии с требованиями нормативной документации [1] проектировщик должен отказаться от фундамента на естественном основании (если не выполняется усиление грунтов основания).
В таком случае, как правило, проектируется свайный фундамент с низким ростверком. Если проектные работы выполняются в соответствии с требованиями СП «Свайные фундаменты» [2], работа ростверка не учитывается, считается, что 100 % нагрузки от фундамента передается на основание сваями. В большинстве классической учебной литературы для студентов ВУЗов РФ [3–5] так же освещен подход к проектированию, принимающий передачу нагрузок сваями на основание в размере 100% от общей нагрузки. В соответствии с нормативной литературой по свайно-плитным фундаментам [6] допускается принимать, что нагрузка, передаваемая на основание ростверком, составляет 15% от общей нагрузки.
Вопросы, связанные с распределением нагрузок между сваями и фундаментом рассматривались как отечественными [7,8] так и зарубежными [9–11] учеными. Однако, авторы практически во всех случаях рассматривают использование свай длиной более10 м.
Лабораторные эксперименты в геотехники играют весьма важную роль. При правильном моделировании с соблюдением всех условий подобия они позволяют вести исследования взаимодействия различных видов фундаментов с грунтами основания не прибегая к полевым экспериментам. Кроме того в лабораторных условиях возможно проводить серии экспериментов из раза в раз моделирую одни и те же условия.
При проведении лабораторных экспериментов существует возможность проверки различных гипотез и предположений, не создавая при этом риска возникновения аварийного состояния для реального сооружения.
В настоящей статье рассмотрены вопросы распределения нагрузок в свайных фундаментах при условии использования относительно коротких свай (длиной3 м). При этом отношение длины сваи к ширине ростверка составляет 2:1.
Экспериментами подтверждена необходимость учета распределения нагрузок при проектировании свайного фундамента с низким ростверком.
1. Моделирование свайного фундамента
В лаборатории кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС с целью изучения особенности распределения нагрузок между ростверком и сваями в процессе увеличения нагрузок на фундаменты было проведено несколько серий лотковых экспериментов. Методика моделирования принята на основании Методических указаний [12].
При проведении экспериментальных исследований была использована модель свайного фундамента размерами в плане 1,5х1,5 мс четырьмя сваями длиной3 ми диаметром0,16 мв масштабе 1:10. Штамп был изготовлен из оргстекла толщиной50 мм. Сваи были выполнены из алюминиевых трубок диаметром16 ммс толщиной стенки1,5 мм.
Опыты, описанные К. Терцаги и Р. Пек [13], показали что характеристики несвязных грунтов при проведении испытаний в лаборатории и в полевых условиях практически не отличаются. Это говорит о возможности постановки эксперимента на пылеватых песках без использования эквивалентных материалов. Кроме того, пылеватыми песками, находящимися в рыхлом состоянии, представлены грунты основания большей части Санк-Птербурга.
Моделирование грунтовых условий бвло выполнено в круглом в плане лотке диаметром 710 мм, высотой 1 300 мм. Перед началом каждого эксперимента песок извлекался из лотка и укладывался обратно с послойным уплотнением. Далее режущим кольцом отбирались пробы грунта и определялась их плотность и влажность. Серии экспериментов проводились в грунте с плотностью в диапазоне от 1,28 до 1,32 г/см3 при влажности грунта от 7,55 до 8,16 %.
Моделирование работы фундамента велось с использованием написания диссертации было изготовлено специально изготовленного штампа, позволяющего измерять нагрузки, передаваемой на сваи.
Принцип работы измерительной системы заключался в следующем: в отверстиях для установки свай (1) в штамп (8) были закреплены направляющие (2). Это позволило снизить отклонение свай от вертикальной оси при установке. В верхней части сваи устанавливается ролик (3), изготовленный из алюминиевой трубки диаметром6 мм. Этот ролик упирается в стальное коромысло (4), закрепленное с одной стороны на раме (5). Крепление коромысла к раме выполнено в виде шарнира, что позволяет ему вращаться в плоскости перемещения сваи. Другой конец коромысла прикреплен к штампу при помощи пружины (6). При включении сваи в работу на коромысло будет передаваться нагрузка, которая его угловые перемещения относительно шарнира. Перемещения фиксируются индикатором перемещений часового типа.
|
На фотографии — оборудование; на рисунке — схема модели фундамента |
|
Нагрузка на штамп передавалась через шток, закрепленный на нагрузочной раме. Нагрузка увеличивалась пошагово после стабилизации осадок от предыдущей ступени. За критерий стабилизации принималась осадка, не превышающая0,01 ммза интервал времени 15 минут. Все эксперименты проводились с трехкратной повторяемостью.
2. Предварительные штамповые испытания
Проведение штамповых испытаний грунтов основания модели было выполнено с целью определения граничных условий нагружения. Кроме того, в условиях поставленных экспериментальных задач такие испытания позволят определить целесообразность использования рассматриваемых конструкций фундаментов и диапазон нагрузок для работы.
При штамповых испытаниях использовался штамп таких же размеров, что и ростверк моделируемого фундамента (15х15х5 см). К штампу пошагово прикладывалась нагрузка (шаг нагружения составлял9 кг). Результаты серии экспериментов приведены на рисунке 2.
|
Рисунок 2. Штамп (слева) и график зависимости осадки штампа от прикладываемой нагрузки (справа). |
|
Рисунок 3. Осредненный график зависимости осадки от нагрузки для штампа 15х15х5 см.
На рисунке 3 приведен график осредненных данных по осадке штампа без свай.
Значение величины расчетного сопротивления в экспериментах №№ 1, 2 и 3, определенное по увеличению приращения осадки штампа, составляет 94 кг(41,78 кПа),90 кг(40,00 кПа) и76 кг(33,78 кПа) соответственно. При этом расхождение по величине расчетного сопротивления не превысило 19,1 %. Несущая способность штампа достигается при нагрузке от184 кг(81,78 кПа) до189 кг(84,00 кПа). Т.о. расхождение по несущей способности не превышает 2,7 %.
Эксперименты показали довольно высокую степень корреляции результатов.
3. Моделирование свайного фундамента с низким ростверком
При моделировании свайного фундамента с низким ростверком на заранее подготовленное грунтовое основание устанавливался штамп. Далее погружались сваи и закреплялись в измерительном оборудовании, описанном в главе 1 настоящей статьи. В ходе экспериментов было определено приращение несущей способности такого фундамента в сравнении с фундаментом на естественном основании.
Рисунок 4. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями
от общей нагрузки на штамп в кг.
На рисунке 4 приведена диаграмма, характеризующая нагрузку, передаваемую сваями на грунтовое основание в зависимости от общей нагрузки на штамп в кг. В ходе эксперимента провальной осадки штампа добиться не удалось. За критерий окончания эксперимента была принята осадка модели, приблизительно равная осадке штампа. В процессе проведения эксперимента результаты показали довольно высокую корреляцию. Максимальное расхождение результатов не превысило 18,3%, в то время как расхождение по несущей способности в трех экспериментах не превысило 7,5%. В связи с этим эксперимент выполнялся трижды.
Рисунок 5. Диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями
от общей нагрузки на штамп в процентном соотношении.
На рисунке 5 приведена диаграмма, характеризующая зависимость между нагрузкой, передаваемой сваями от общей нагрузки на модель в процентном соотношении. При постоянном стабильном росте нагрузки на сваи при пошаговом нагружении штампа после приложения нагрузки порядка30 кгнаблюдается «выравнивание» графиков, что свидетельствует о стабильном соотношении в распределении нагрузок между сваями и ростверком. В связи с небольшим расхождением в значениях эксперимента, его результаты были оценены по среднему значению. Осредненные графики зависимостей приведены на рисунке 6.
Из графиков на рисунке 6 видно, что в диапазоне нагрузок на фундамент от 20 до100 кгроль сваи в передаче нагрузок фундаментом на основание снижается со значения в 31% до значения в 22%. Далее нагрузка, передаваемая сваями на основание в процентном соотношении стабилизируется и вплоть до срыва находится в пределах от 21% до 24%. При этом прирост нагрузки в килограммах на каждом шаге остается практически стабильным.
Рисунок 6. Осредненная диаграмма зависимости нагрузки, передаваемой сваями
от общей нагрузки на штамп в процентном соотношении и кг.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что в условиях моделирования на сваи передается не более 24 % от общей нагрузки, в то время как ростверк передает на грунт не менее 76% от общей нагрузки.
Заключение
В лаборатории ПГУПС была промоделирована работа фундаментов на естественном основании и свайных фундаментов с низким ростверком. Эксперименты показали довольно высокую степень корреляции в рамках проводимых серий.
Следует отметить, что сопоставление значений осадок свайно-плитного фундамента (свайного фундамента с низким ростверком) и осадок штампа показало эффективность использования коротких свай при усилении фундаментов. Результаты сопоставления приведены на рисунке 7.
Из графика видно, что в диапазоне от начала нагружения до значения нагрузки, условно определенного как расчетное сопротивление грунта основания (81кг), осадка штампа не существенно отличается от осадки модели свайного фундамента (расхождение составляет около 30-35%).
При сопоставлении результатов измерения осадки штампа и модели свайного фундамента с низким ростверком хорошо видно, что даже при использовании относительно коротких свай после превышения нагрузкой значения расчетного сопротивления осадка модели свайного фундамента существенно меньше, чем осадка штампа без свай.
Рисунок 7. Диаграмма осредненных осадок модели свайно-плитного фундамента со сваями30 сми штампа.
При нагрузке на модель, превышающей нагрузку на штамп в 1,5 значение, соответствующее расчетному сопротивлению штампа, осадка штампа превышает осадку модели в 2,7 раза. При превышении нагрузки в 2 раза отношение осадки штампа к осадке модели сохраняется.
Кроме того следует отметить, что несущая способность штампа по результатам экспериментов составляет184 кг(81 кПа). При моделировании свайного фундамента при нагрузке270 кг(120 кПа) несущая способность модели достигнуть не достигнута.
По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. В условиях лоткового эксперимента несущая способность свайного фундамента при использовании относительно коротких свай превышает несшую способность фундамента как минимум на 50%.
2. Использование коротких свай позволяет существенно снизить осадку при нагрузках, превышающих расчетное сопротивления фундамента на естественном основании.
П. А. КРАВЧЕНКО, (ПГУПС)
Библиографический список
1. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция // М.: – Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011.
2. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция // М.: – Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011.
3. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) / Далматов Б.И. // – 2- е издание – Л.: Стройиздат, 1998.
4. Реконструкция городской застройки / Шепелев Н.П., Шумилов М.С. // М.: «Высшая школа», 2000.
5. Механика грунтов в инженерной практике / Терцаги К., Пек Р. // Под ред. проф. Гольштейна М.Н., М.: Росстройиздат, 1958.
6. СП 50-102-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов // М.: - Госстрой России, 2003.
7. К расчету осадок свайных и свайно-плитных фундаментов / Курилло С.В., Скороходов А.Г., Федоровский В.Г. // М.: НИИОСП, 2003.
8. Прогноз осадок свайных фундаментов / Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. // Под ред. А.А.Бартоломея. – М.: Стройиздат, стр. 30 – 72, 1994.
9. Оценка взаимодействия буроинъекционных свай усиления фундаментов с основаниями зданий / Чу Туан Тхань // дисс. канд. техн. наук 05.23.02. – С-Пб.: ГАСУ 2010.
10. A numerical study of pile raft foundations / Der-Guey Lin, Zheng-Yi Feng // China: – Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol. 29, № 6, стр. 1091-1097, 2006.
11. Some observations on pile footings / Serge Borel, Olivier Combarieu // Budapest: – 2nd Int. PhD Symposium in Civil Engineering, 1998.
12. Методические рекомендации по моделированию грунтового основания при исследовании напряженно-деформированного состояния сооружения. НИИСК, Киев.
13. Терцаги К., Пек Р., Механика грунтов в инженерной практике. Под ред. проф. Гольштейна М.Н., М.: Росстройиздат, 1958 г.
| Автор: П. А. КРАВЧЕНКО Дата: 21.06.2012 Журнал Стройпрофиль 98 Рубрика: геотехнологии, фундаменты Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |