Full Text

Введение В строительной практике нередко требуется выполнить усиление свайных фундаментов, например, в случае увеличения нагрузки на основание или вследствие ухудшения грунтовых условий [1-4]. Результативный способ усиления - контурное армирование - внедрение твердых тел (армоэлементов) воль периметра ростверка [5-9]. Армоэлементы могут выполняться из различных материалов и иметь разную конструкцию [10-13], в том числе армоэлементами могут служить инъекционные тела, образованные нагнетанием подвижного цементно-песчаного раствора [14-16]. Эффективным методом нагнетания является технология пакетного высоконапорного инъецирования. Ее сущность заключается в одновременной подаче раствора через группу инъекторов в режиме гидроразрыва [17-20]. Нагнетание через несколько инъекторов, расположенных вдоль прямой линии, позволяет формировать в грунтовом массиве вертикально ориентированный диск условно прямоугольной формы [20]. Выполнение ряда инъекционных тел по контуру свайного куста создает подобие компрессионных условий и положительно влияет на изменение напряженно-деформированного состояния основания усиливаемого фундамента. Для определения эффективности разных схем контурного армирования (прерывистого или сплошного; около двух противоположных сторон или вдоль всего периметра ростверка; на разную глубину: от 0,25l до l) были выполнены численные исследования в расчетном комплексе MIDAS. Постановка задачи Исследования напряженно-деформированного состояния грунтового основания, усиленного твердыми инъекционными телами - армоэлементами, сформированными пакетным высоконапорным инъецированием цементно-песчаного раствора, осуществлялись в программном комплексе MIDAS GTS NX 2019 (v1.1)[1]. Расчеты производились в пространственной постановке с учетом нелинейного характера работы грунта. Основание было представлено упругопластической моделью Мора - Кулона, элементы усиления, имеющие существенно большую жесткость, - линейно-упругой моделью. Были приняты следующие параметры граничных условий: - свобода перемещений по контуру верхней границы; - свобода перемещений во всех направлениях по нижней границе; - ограничение перемещений по вертикальным граням в горизонтальном направлении. Расчетная схема в MIDAS строилась из сетки гексаэдральных и тетраэдрических элементов, включающей 54 584 элемента, 29 416 узлов, 88 824 степени свободы, 85 448 уравнений. Габаритные размеры расчетной области были приняты 11,6 ´ 11,6 ´ 20,0 м (рис. 1). Рис. 1. Геометрическая схема свайного фундамента и расчетной области в программном комплексе MIDAS GTS NX 2019 (v1.1) Fig. 1. Geometric scheme of the pile foundation and the calculation area in the MIDAS GTS NX 2019 (v1.1) Было просчитано 16 схем усиления, расчеты выполнялись с учетом истории нагружения последовательно в три стадии: - от собственного веса грунта; - после устройства фундамента и элементов усиления; - после приложения нагрузки. В качестве примера был взят фундамент, состоящий из девяти свай сечением 0,3 ´ 0,3 м, длиной l = 6,0 м, расположенных по сетке 0,9 ´ 0,9 м, объединенных квадратным ростверком с размерами в плане 2,4 ´ 2,4 м и высотой 0,6 м. Вертикальная нагрузка на фундамент N = 5400 кН, грунт основания - суглинок средней степени водонасыщения тугопластичный (ρ = 1,95 г/см3, φ = 14°, С = 15 кПа, Е = 4,5 МПа). Указанные размеры и нагрузка типичны для фундаментов каркасных железобетонных зданий сельскохозяйственного и производственного назначения, подобные грунты широко распространены на юге Новосибирской области. Физико-механические характеристики армоэлементов во всех расчетах были установлены следующими: g = 20 кН/м3, n = 0,2, Е = 100 МПа. Материал свай и свайного ростверка - бетон g = 24 кН/м3, Е = 30 ´ 103 МПа. Размеры элементов контурного армирования были приняты: длина d = 0,50 м, ширина s = 0,20 м, высота h = 0,70 м. Зазор между армоэлементами в плане - 0,075 м, зазор по высоте - 0,05 м, расстояние от ряда армоэлементов до края ростверка - 0,25 м. Рассматривались следующие схемы армирования: - сплошное и прерывистое контурное армирование (по пять и три столбца около каждой стороны) вдоль всего периметра ростверка; - сплошное и прерывистое контурное армирование (по пять и три столбца) вдоль двух противоположных сторон ростверка. Для каждой схемы рассчитывались варианты с восемью, шестью, четырьмя и двумя уровнями армирования на глубину l, 0,75l, 0,5l и 0,25l от подошвы ростверка, где l - длина свай. Эффективность усиления оценивалась по коэффициенту приведенного расхода материала КПРМ, равному отношению используемого объема твердых тел в кубических метрах к разности осадок фундамента после усиления и до него, выраженной в сантиметрах, т.е. коэффициент КПРМ показывает объем армоэлементов в метрах кубических, требуемый для снижения осадки фундамента на 1 см. Результаты расчетов и их анализ Расчетом было определено, что осадка свайного фундамента на естественном основании составляет Sе = 141 мм, что соответствует фактическому значению осадки реального фундамента в этих грунтовых условиях. Принятые схемы контурного армирования свайного фундамента и результаты расчетов осадки после усиления представлены в табл. 1. В табл. 1 в обозначениях схем: первая цифра - суммарное количество столбцов, вторая - количество уровней армирования по глубине. Анализируя результаты расчетов, можно сделать вывод о хорошей результативности усиления свайных фундаментов контурным армированием. Любой вариант армирования приводит к изменению напряженно-деформированного состояния грунтового основания и снижению уровня осадок. Таблица 1 Схемы контурного армирования свайного фундамента и результаты расчетов Table 1 Schemes of contour reinforcement of the pile foundation and calculation results Номер схемы Схема усиления Шаг армирования Глубина усиления Объем элементов, м3 Результат расчета 1 2 3 4 5 6 20 / 8 d l 11,20 S = 129 мм DS = 12 мм DS / Sе = 9 % КПРМ = 9,33 20 / 6 d 0,75l 8,40 S = 131 мм DS = 10 мм DS / Sе = 7 % КПРМ = 8,40 20 / 4 d 0,5l 5,60 S = 133 мм DS = 8 мм DS / Sе = 6 % КПРМ = 7,00 20 / 2 d 0,25l 2,80 S = 135 мм DS = 6 мм DS / Sе = 4 % КПРМ = 4,67 12 / 8 2d l 6,72 S = 133 мм DS = 8 мм DS / Sе = 6 % КПРМ = 8,40 12 / 6 2d 0,75l 5,04 S = 134 мм DS = 7 мм DS / Sе = 5 % КПРМ = 7,20 12 / 4 2d 0,5l 3,36 S = 135 мм DS = 6 мм DS / Sе = 4 % КПРМ = 5,60 12 / 2 2d 0,25l 1,68 S = 137 мм DS = 4 мм DS / Sе = 3 % КПРМ = 4,20 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 10 / 8 d, вдоль двух противоположных сторон l 5,60 S = 135 мм DS = 6 мм DS / Sе = 4 % КПРМ = 9,33 10 / 6 d, вдоль двух противоположных сторон 0,75l 4,20 S = 136 мм DS = 5 мм DS / Sе = 4 % КПРМ = 8,40 10 / 4 d, вдоль двух противоположных сторон 0,5l 2,80 S = 137 мм DS = 4 мм DS / Sе = 3 % КПРМ = 7,00 10 / 2 d, вдоль двух противоположных сторон 0,25l 1,40 S = 138 мм DS = 3 мм DS / Sе = 2 % КПРМ = 4,67 6 / 8 2d, вдоль двух противоположных сторон l 3,36 S = 137 мм DS = 4 мм DS / Sе = 3 % КПРМ = 8,40 6 / 6 2d, вдоль двух противоположных сторон 0,75l 2,52 S = 138 мм DS = 3 мм DS / Sе = 2 % КПРМ = 8,40 6 / 4 2d, вдоль двух противоположных сторон 0,5l 1,68 S = 138 мм DS = 3 мм DS / Sе = 2 % КПРМ = 5,60 6 / 2 2d, вдоль двух противоположных сторон 0,25l 0,84 S = 139 мм DS = 2 мм DS / Sе = 1 % КПРМ = 4,20 Так, при усилении сплошным 8-уровневым контурным армированием в плане вдоль всего периметра ростверка (от подошвы до нижнего конца свай) по глубине (20 / 8) деформации снижаются на 12 мм, или на 9 %, относительно значения осадки свайного фундамента на естественном основании. В случае 6-уровневого армирования осадка снижается на 10 мм, или на 7 %, 4-уровневого - на 6 мм, или на 4 %. При прерывистом контурном армировании осадка меньше на 4…8 мм или на 3…6 %, в зависимости от количества слоев армоэлементов. Сплошное контурное армирование вдоль двух противоположных сторон ростверка приводит к снижению деформаций на 3…6 мм или на 2…4 %, прерывистое - на 2…4 мм или на 1…3 % соответственно. Коэффициенты приведенного расхода материала при контурном армировании свайного фундамента находятся в пределах КПРМ = 4,20…9,33. При этом схемы усиления прерывистым армированием, как вдоль всего периметра, так и вдоль двух противоположных сторон ростверка, более экономичны - при 8-уровневом армировании по глубине (12 / 8 и 6 / 8) КПРМ = 8,40; при сплошном контурном армировании (20 / 8 и 10 / 8) значение коэффициента приведенного расхода материала составляет КПРМ = 9,33. Для всех схем размещения армоэлементов в плане коэффициент приведенного расхода материала растет с увеличением количества уровней армирования по глубине. На рис. 2 показаны изолинии вертикальных напряжений и перемещений грунтового основания свайного фундамента, усиленного контурным армированием по характерным схемам. Рис. 2. Изолинии вертикальных напряжений (а, b, c, d) и перемещений (е, f, g, h) свайного фундамента: а, e - на не усиленном основании; b, f - на основании со сплошным контурным армированием (20 / 8) и c, g - на основании с прерывистым контурным армированием (16 / 8) 8-уровневым по глубине; d, h - с прерывистым контурным армированием вдоль двух противоположных сторон ростверка 8-уровневым по глубине (6 / 8) Fig. 2. Isolines of vertical stresses (а, b, c, d) and displacements (е, f, g, h) of the pile foundation: а, e - on a non-reinforced base; b, f - on a base with solid contour reinforcement (20 / 8) and c, g - on a base with intermittent contour reinforcement (16 / 8) 8-level in depth; d, h - with intermittent contour reinforcement along the two opposite sides of the grillage 8-level in depth (6 / 8) Обобщим полученные результаты. Деформации грунтового основания напрямую зависят от объема инъекционных тел - увеличение количества армоэлементов ведет к снижению осадок, однако даже минимальное армирование положительно сказывается на напряженно-деформированном состоянии грунтового массива. Важно, что при этом вместе с увеличением количества армоэлементов удельная эффективность снижается. Как следствие, усиление пакетным высоконапорным инъецированием целесообразно выполнять поэтапно - увеличивая количество армоэлементов и соответственно меняя схему их расположения в плане (от прерывистого контурного армирования вдоль двух противоположных сторон к сплошному вдоль всего периметра). Предлагается два варианта поэтапного усиления свайных фундаментов контурным армированием твердыми инъекционными телами. Первый вариант содержит следующую последовательность (табл. 2): - 1-й этап: прерывистое контурное армирование вдоль двух противоположных сторон ростверка; - 2-й этап: прерывистое контурное армирование вдоль всего периметра ростверка; - 3-й этап: сплошное контурное армирование вдоль всего периметра ростверка. Таблица 2 Последовательность усиления свайного куста контурным армированием (1-й вариант) Table 2 The sequence of reinforcement of a pile bush by contour reinforcement (1st option) 1-й этап 2-й этап 3-й этап DS / Sе = 3 % КПРМ = 8,40 DS / Sе = 6 % КПРМ = 8,40 DS / Sе = 9 % КПРМ = 9,33 Второй вариант усиления (табл. 3): - 1-й этап: прерывистое контурное армирование вдоль двух противоположных сторон ростверка; - 2-й этап: сплошное контурное армирование вдоль двух противоположных сторон ростверка; - 3-й этап: сплошное контурное армирование вдоль всего периметра ростверка. Разность осадок свайного фундамента после усиления и до него указывает на более высокую продуктивность первого варианта: DS / Sе на 2-й этапе составляет 6 % при КПРМ = 8,40, против 4 % при КПРМ = 9,33. Однако лабораторные эксперименты показывают, что сплошное армирование вдоль двух противоположных сторон ростверка эффективнее прерывистого вдоль всего периметра [5]. Таблица 3 Последовательность усиления свайного куста контурным армированием (2-й вариант) Table 3 The sequence of reinforcement of a pile bush by contour reinforcement (2st option) 1-й этап 2-й этап 3-й этап DS / Sе = 3 % КПРМ = 8,40 DS / Sе = 4 % КПРМ = 9,33 DS / Sе = 9 % КПРМ = 9,33 На практике, очевидно, выбор варианта контурного армирования свайных фундаментов будет зависеть от возможности размещения инъекционного оборудования и других обстоятельств. Также принципиально возможен вариант поэтапного увеличения глубины армирования при постоянном количестве армоэлементов в плане. Усиление ленточных свайных фундаментов может производиться в два этапа (табл. 4): - 1-й этап: прерывистое контурное армирование вдоль ленточного свайного фундамента; - 2-й этап: сплошное контурное армирование вдоль ленточного свайного фундамента. Контурное армирование относится к адаптивному методу усиления - необходимость проведения последующих работ определяется по результатам мониторинга за динамикой развития деформаций грунтового основания в процессе и после завершения каждого этапа. Таблица 4 Последовательность усиления ленточного свайного фундамента контурным армированием Table 4 The sequence of reinforcement of the tape pile foundation by contour reinforcement 1-й этап 2-й этап DS / Sе » 6 % КПРМ = 8,40 DS / Sе » 9 % КПРМ = 9,33 Заключение Выполненные исследования показывают, что любой вариант контурного армирования положительно влияет на напряженно-деформированное состояние основания, при этом удельная эффективность усиления снижается вместе с увеличением количества армоэлементов. Усиление свайных фундаментов рекомендуется выполнять поэтапно - увеличивая количество армоэлементов: от прерывистого контурного армирования к сплошному или от армирования вдоль двух противоположных сторон к армированию вдоль всего периметра ростверка. При этом необходимость проведения последующих работ должна определяться по результатам мониторинга за развитием деформаций в процессе и после завершения работ каждого этапа.

About the authors

M. L. Nuzhdin

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)

A. B. Ponomaryov

Saint Petersburg Mining University; Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 8

PDF (Russian) - 6

Refbacks

• There are currently no refbacks.