Strengthening of pile foundations by contour reinforcement with hard injection bodies

Abstract


The article discusses a method of strengthening pile foundations with contour reinforcement. Armoelements are solid injection bodies formed by group high-pressure injection. To determine the effectiveness of various contour reinforcement schemes, the soil base stress-strain state numerical calculations were performed in the MIDAS GTS NX 2019 software package (v1.1). Several reinforcement schemes are considered: continuous and intermittent contour reinforcement along the entire perimeter of the pile bush; continuous and intermittent contour reinforcement along two opposite sides of the pile bush. For each case, variants with 8-, 6-, 4- and 2 levels of reinforcement are calculated: to a depth of l from the sole of the grillage, 0.75 l , 0.5 l and 0. 25l , where l is the length of the piles. It is concluded that any contour reinforcement scheme has a positive effect on the stress-strain state of the base, while the specific reinforcement efficiency decreases along with an increase in the number of reinforcement elements. The effectiveness of reinforcement is estimated by the coefficient of reduced material consumption KPRM , equal to the ratio of the volume of solids used in cubic meters to the difference between the foundation sediment with and without reinforcement, expressed in centimeters - that is, the required volume of reinforcement elements in cubic meters to reduce the foundation sediment by 1 centimeter. It is recommended to strengthen pile foundations in stages - increasing the number of reinforcement elements: from intermittent contour reinforcement to solid reinforcement or from reinforcement along two opposite sides to reinforcement along the entire perimeter of the grillage. At the same time, the need for subsequent work should be determined by the results of monitoring the development of deformations during and after the completion of each stage of work.

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

  1. Мангушев, Р.А. Устройство и реконструкция оснований и фундаментов на слабых и структурно-неустойчивых грунтах / Р.А. Мангушев, Р.А. Усманов, А.И. Осокин; под ред. Р.А. Мангушева. - СПб., 2018. - 496 с.
  2. Власов, В.П. Способ усиления свайных фундаментов в зоне вечной мерзлоты / В.П. Власов, С.А. Гулый // Знание - на службу нуждам Севера: материалы 1-й Междунар. конф. Академии Северного форума Республики Саха (РФ). - Якутск, 1996. - С. 184.
  3. Никифорова, Н.С. Несущая способность свай в многолетнемерзлых грунтах при изменении климата / Н.С. Никифорова, А.В. Коннов // Construction and Geotechnics. - 2021. - Т. 12, № 3. - С. 14-24. doi: 10.15593/2224-9826/2021.3.02
  4. Взаимодействие системы усиления свайных фундаментов с предварительно опрессованным грунтовым основанием эксплуатируемого сооружения / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов, А.Н. Шуваев, Д.Н. Давлатов // Construction and Geotechnics. - 2018. - Т. 9, № 3. - C. 42-53. doi: 10.15593/2224-9826/2018.3.05
  5. Нуждин, М.Л. Экспериментальные исследования усиления грунтового основания свайных фундаментов армированием жесткими включениями / М.Л. Нуждин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2019. - Т. 10, № 3. - С. 5-15. doi: 10.15593/2224-9826/2019.3.01
  6. Нуждин, Л.В. Армирование грунтов основания вертикальными стержнями / Л.В. Нуждин, А.А. Кузнецов // Труды международного семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям. - М., 2000. - С. 204-206.
  7. Армирование грунтового основания 16-этажного жилого дома жесткими вертикальными стержнями / Л.В. Нуждин, В.П. Писаненко, П.А. Гензе, А.А. Кузнецов, А.М. Караулов, М.Л. Нуждин, В.А. Ступников // Известия вузов. Строительство. - 2002. - № 3. - С. 141-146.
  8. Мирсаяпов, И.Т. Напряженно-деформированное состояние грунтового основания, армированного вертикальными и горизонтальными элементами / И.Т. Мирсаяпов, Р.А. Шарафутдинов // Известия КГАСУ. - 2017. - № 1 (39). - С. 153-158.
  9. Мельников, Р.В. Численное определение областей грунта для исправления крена здания / Р.В. Мельников, Я.А. Пронозин, А.А. Тарасенко // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - 2021. - № 4 (59). - С. 108-117. doi: 10.52170/1815-9265_2021_59_108
  10. Пономарев, А.Б. Анализ и проблемы исследований геосинтетических материалов в России / А.Б. Пономарев, В.Г. Офрихтер // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2013. - № 2. - С. 68-73.
  11. Ramya, M. Behaviourial study on geopolymer column soil / M. Ramya, S. Jeyapriya // Ground Improvement Techniques and Geosynthetics. - IGS 2016. - Singapore, 2019. - Vol. 2. - P. 1-9.
  12. Kumar, P. Bearing capacity of strip footing on clay soil reinforced with metal strips and with anchors / P. Kumar // Ground Improvement Techniques and Geosynthetics. - IGS 2016. - Singapore, Springer, 2019. - Vol.2 - P. 77-84.
  13. Croce, P. Jet Grouting. Technology, design and control / P. Croce, A. Flora, G. Modoni. - London, 2014. -284 p.
  14. Филимонов, С.Д. Опыт использования метода цементации в режиме гидроразрыва на объектах фирмы "Геомассив" / С.Д. Филимонов // Труды VI Петрухинских чтений. - М., 2022. - C. 37-43. doi: 10.37538/2713-1149-2022-37-43
  15. Шапошников, А.В. Выравнивание фундаментов зданий методом инъекции растворов на основе цемента / А.В. Шапошников, В.В. Семкин, М.Н. Ибрагимов // Труды VI Петрухинских чтений. - М., 2022. - C. 75-86. doi: 10.37538/2713-1149-2022-75-86
  16. Шулятьев, О.А. Применение гидроразрывной технологии в практике строительства / О.А. Шулятьев // Труды VI Петрухинских чтений. - М., 2022. - C. 7-22. doi: 10.37538/2713-1149-2022-7-22
  17. Nuzhdin, M.L. Experimental studies on model pile foundations reinforced by hard inclusions / M.L. Nuzhdin, L.V. Nuzhdin, A.B. Ponomaryov // Geotechnics for Sustainable Infrastructure Development: Lecture Notes in Civil Engineering. - Singapore, 2019. - Vol. 62. - P. 193-197. doi: 10.1007/978-981-15-2184-3_24
  18. Попсуенко, И.К. Подъем фундаментов нагнетанием в их основания цементных растворов и расширяющихся геополимеров / И.К. Попсуенко, А.С. Борисов, П.П. Дегтярев // Труды VI Петрухинских чтений. - М., 2022. - C. 87-112. doi: 10.37538/2713-1149-2022-87-112
  19. A field experimental study on the diffusion behavior of expanding polymer grouting material in soil / Ch. Guo, B. Sun, F. Wang, M. Shi, X. Li // Soil Mechanics and Foundation Engineering. - 2019. - № 56. - P. 171-177. doi: 10.1007/s11204-019-09586-7
  20. Нуждин, М.Л. Экспериментальное подтверждение возможности создания в грунтовом массиве инъекционных тел установленной формы / М.Л. Нуждин, Л.В. Нуждин // Известия вузов. Строительство. - 2019. - № 10. - С. 101-112. doi: 10.32683/0536-1052-2019-730-10-101-112

Statistics

Views

Abstract - 35

PDF (Russian) - 29

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2024 Nuzhdin M.L., Ponomaryov A.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies