Full Text

Введение Известно, что параметры колебаний фундаментов от динамических нагрузок или кинематического возбуждения напрямую зависят от параметров жесткости и демпфирования основания, а также от массы колеблющейся системы, состоящей из фундамента, машины или конструкций, установленных на фундаменте, и «присоединенного массива грунта», участвующего в колебаниях. С технической точки зрения в большинстве случаев для снижения колебаний выгодно увеличивать жесткость основания и массу колеблющейся системы. Этому в достаточной степени отвечает применение свайных фундаментов [1-8]. При этом следует отметить, что статическая нагрузка (вес) от машин с динамическими нагрузками, технологических установок, виброчувствительного оборудования и специальных конструкций относительно невелика, и количество свай даже на очень слабых грунтах принимается конструктивно, исходя из размеров ростверков, назначаемых по габаритам размещаемого оборудования. При возведении свайных фундаментов под машины с динамическими нагрузками и в ходе их эксплуатации вся статическая нагрузка передается на сваи, в результате чего грунт под подошвой ростверка остается неуплотненным. В процессе колебаний контакт подошвы ростверка с грунтом может нарушаться, и между ними появляются микрозазоры. В результате, жесткостные и демпфирующие параметры основания определяются только соответствующими характеристиками погруженных свай, сопротивление грунта по подошве ростверка при его колебаниях отсутствует, а грунтовый массив междусвайного пространства практически не участвует в совместной работе с фундаментом [9]. Проблеме включения в работу на динамические нагрузки грунта междусвайного пространства и, как следствие, увеличения массы колеблющейся системы посвящено достаточное количество научных публикаций и технических решений. Однако большинство предлагаемых способов при определенных преимуществах имеет ряд очевидных недостатков. В первую очередь это сложность предлагаемых конструкций и трудоемкость их реализации при относительно невысокой эффективности. Например, предлагается вовлекать в работу дополнительный объем грунтового массива с помощью установки в теле ростверка электромагнитных катушек со стальными сердечниками, их последующего выдвижения и погружения в боковую засыпку, окружающую фундамент [10]. Выполнять ростверк из двух плит по высоте стянутых напрягаемыми клиньями (Е.М. Семиженов, Г.Г. Аграновский, 1982), закреплять сваи в ростверке с помощью подшипников скольжения и домкратов (М.И. Забылин и др., 1989) или домкратов и упругих связей с одной степенью свободы [11]. В отличие от указанных работ и многих других, посвященных данному вопросу [12-19], авторами предложен достаточно простой и надежный способ уплотнения и включения в работу грунта междусвайного пространства с помощью высоконапорного инъецирования подвижных цементно-песчаных смесей. 1. Усиление грунтового основания свайных фундаментов под машины с динамическими нагрузками инъецированием подвижного цементно-песчаного раствора В НИЛ динамики оснований и фундаментов Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрина) был разработан и внедрен в строительную практику способ устройства свайных фундаментов, эксплуатирующихся в условиях динамического нагружения, с усилением грунтового массива междусвайного пространства высоконапорным инъецированием подвижного цементно-песчаного раствора [10]. Сущность метода заключается в нагнетании инъекционной смеси в грунтовое основание под подошвой ростверка под давлением, превышающим структурную прочность грунта одновременно через несколько инъекторов [10, 11]. Нагнетаемый цементно-песчаный раствор ликвидирует микрозазоры и, затвердев, уплотняет грунт, что приводит к увеличению жесткости основания и вовлечению дополнительного объема грунтового массива в совместную работу с фундаментом. Включение в совместную работу междусвайного грунта существенно увеличивает массу колеблющейся системы и, как следствие, приводит к снижению параметров горизонтальных и вертикальных колебаний свайного фундамента при динамическом нагружении и в случае кинематического возбуждения (рис. 1). Рис. 1. Схема усиления свайного фундамента под машину с динамическими нагрузками. Этап I: 1 - ростверк; 2 - сваи; 3 - инъектор; 4 - крышка кондуктора; 5 - инъекционные тела под подошвой ростверка Fig. 1. Pile foundation reinforcement scheme for a machine with dynamic loads. Stage I: 1 - grillage; 2 - piles; 3 - injector; 4 - conductor cover; 5 - injection bodies under the grillage В случае необходимости производятся работы второго этапа - направленное инъецирование раствора в междусвайное пространство на глубину 0,3-0,5l (где l - длина сваи) от подошвы ростверка. Сформированные твердые инъекционные тела объединяют сваи между собой, повышают жесткость и увеличивают массу колеблющейся системы, что способствует дальнейшему снижению параметров колебаний фундамента (рис. 2). Рис. 2. Схема усиления свайного фундамента под машину с динамическими нагрузками. Этап II: 1 - ростверк; 2 - сваи; 3 - инъектор; 4 - крышка кондуктора; 5 - инъекционные тела под подошвой ростверка; 6 - инъекционные тела, объединяющие сваи Fig. 2. The scheme of strengthening the pile foundation under the machine with dynamic loads. Stage II: 1 - grillage; 2 - piles; 3 - conductor; 4 - conductor cover; 5 - injection bodies under the sole of the grillage; 6 - injection bodies uniting piles Нагнетание раствора ведется в нескольких инъекционных точках, располагаемых между сваями и/или по периметру ростверка. Количество точек и их расположение зависит от габаритов ростверка, наличия технологического пространства и пр. При этом расстояния между соседними точками в среднем не должны превышать 2,5-3,0 м [20]. В каждой точке нагнетание осуществляется на одном или, при необходимости, нескольких инъекционных горизонтах, количество и высотное положение которых зависит от инженерно-геологических условий площадки, вида свай, конструкции свайного фундамента и динамического режима работы оборудования. Процесс нагнетания контролируется по изменению значения подающего давления инъецирования и объему закаченной смеси. Инъекционные работы обычно останавливают при повышении подающего давления на 40-60 % к уровню установившегося рабочего давления, свидетельствующем о ликвидации зазоров - заполнении их цементно-песчаным раствором и уплотнении грунта под подошвой ростверка. Также критерием окончания работ может являться объем закаченного раствора до 2,0-2,5 м3 в одной инъекционной точке на одном горизонте [21]. Инъецирование раствора в междусвайное пространство под ростверк осуществляется через инъекторы, погружаемые в предварительно выполненные в теле ростверка отверстия - инъекционные кондукторы, представляющие собой металлические, пластмассовые или асбестоцементные трубы промышленного производства с внутренним диаметром, достаточным для погружения через них инъекторов с минимальным зазором. Инъекционные кондукторы устанавливаются в теле ростверка в процессе его бетонирования - их закрепляют вязальной проволокой или на сварке (для металлических труб) к арматурным стержням или опалубке. Обычно кондукторы располагаются вертикально с незначительным возвышением одного конца над верхним обрезом ростверка и заглублением другого в грунтовое основание под его подошвой или бетонной подготовкой (рис. 3). а б Рис. 3. Металлические инъекционные кондукторы: а - крепление кондукторов к арматурным стержням; б - инъекционные кондукторы в теле монолитного железобетонного ростверка Fig. 3. Metal injection conductors: a - mounting conductors to reinforcing bars; b - injection conductors in the body of a monolithic reinforced concrete grillage Предлагаемым способом можно проводить усиление и ранее выполненных фундаментов под машины с динамическими нагрузками. Для них также, даже в случае относительно небольших размеров ростверка в плане, целесообразно выполнять нагнетание смеси через инъекторы, погружаемые через тело ростверка. Это объясняется неоднородным состоянием грунта под ростверком после устройства свай, возможностью неконтролируемого распространения раствора в грунте за пределы фундамента и, как следствие, отсутствием требуемого уплотнения грунта в междусвайном пространстве под подошвой ростверка после инъецирования проектного объема раствора. При невозможности устройства отверстий для погружения инъекторов в теле ростверка требуется разработка специальной, более сложной технологии производства инъекционных работ, включающей несколько этапов инъецирования или проведения предварительных мероприятий для создания в грунтовом основании экранов, препятствующих неконтролируемому распространению нагнетаемых смесей. 2. Экспериментальная проверка эффективности усиления свайных фундаментов под машины с динамическими нагрузками инъецированием подвижного цементно-песчаного раствора Экспериментальная проверка эффективности усиления грунтового основания свайных фундаментов под машины с динамическими нагрузками инъецированием подвижного цементно-песчаного раствора была выполнена в большом грунтовом лотке с размерами в плане 3´3 м и глубиной 2 м (без дна). Лоток заполнялся мелкозернистым воздушно-сухим песком (ρ = 1,70 г/см3, w = 1,7 %, Е = 28 МПа). Песок укладывался слоями толщиной по 20 см и послойно уплотнялся ручной трамбовкой. Мощность песчаного основания составила 1,5-1,6 м. Подстилающим слоем являлась лессовидная маловлажная твердая супесь природного сложения мощностью более 10 м (ρ = 1,71 г/см3, w = 11 %, Ip = 6, IL < 0, j = 20°, С = 50 кПа, Е = 11 МПа). В качестве модели фундамента использовался металлический сварной ростверк из швеллеров № 12 и № 20 и листового металла толщиной 10 мм с размерами в плане 520´520 мм, опирающийся на 9 металлических полых свай диаметром d = 4,2 см и длиной l = 0,92 м, расположенных по сетке с шагом 21 см (5d). Сваи погружались забивкой ручной кувалдой, ростверк устанавливался на сваи без заглубления и через болтовые соединения жестко с ними сопрягался. На ростверк устанавливались инвентарные грузы - металлические диски весом 2-4 кг. Общий вес пригрузки составлял 80-90 кг (рис. 4). Колебания возбуждались в горизонтальном и вертикальном направлении в диапазоне частот от 5 до 40-45 Гц двухвальным вибратором направленного действия, установленным на ростверк. Регистрация параметров колебаний (амплитуд перемещений ростверка) осуществлялась комплектом К001 из трех вибродатчиков типа И001. Два вибродатчика измеряли горизонтальную составляющую колебаний, один - вертикальную. Датчики устанавливались на грани металлического ростверка, ориентировались в пространстве и жестко закреплялись для исключения возможности перемещения относительно фундамента. С помощью проводов они присоединялись к внешнему модулю АЦП (L-CARD E-330) и персональному компьютеру. Рис. 4. Модель свайного фундамента в большом грунтовом лотке с установленным двухвальным вибратором направленного действия Fig. 4. Model of pile foundation in a large soil tray with installed twin-shaft directional vibrator В качестве инъекторов использовались металлические трубы диаметром 25 мм с толщиной стенки 2,5 мм. Три трубы устанавливались с разных сторон ростверка и вручную вдавливались на глубину 0,5-1,0 см от его подошвы. Нагнетание производилось ручными насосами одновременно через все инъекторы. Инъекционной смесью служил цементно-песчаный раствор, приготавливаемый на месте в соотношении: цемент - 1 часть, песок - 4 части, вода - до необходимой пластичности смеси. Расход цементно-песчаного раствора составил 0,03-0,05 м3. В ходе экспериментов выполнялось три цикла регистрации параметров колебаний модели свайного фундамента: - на свайном основании (после погружения свай и установки ростверка, без усиления грунта); - на основании, усиленном нагнетанием цементно-песчаного раствора под подошву ростверка (в течение нескольких часов после окончания процесса инъецирования); - на основании, усиленном твердым инъекционным телом, сформированным под подошвой ростверка (через 28 дней после проведения работ по инъецированию). В результате были получены амплитудно-частотные графики колебаний модели свайного фундамента до и после его усиления (рис. 5, 6). Выполнив анализ результатов проведенных экспериментов, можно сделать следующие выводы: 1. Нагнетание цементно-песчаного раствора под ростверк свайного фундамента с целью уплотнения грунта и ликвидации возможных зазоров между подошвой ростверка и грунтом (наличие которых отчетливо наблюдалось в рыхлом песке) приводит к существенному снижению амплитуд колебаний фундамента - от 1,8 до 2,6 раз. При этом наиболее эффективно усиление грунтового основания сказывается на горизонтальной составляющей колебаний. 2. Образование твердого инъекционного тела (через 28 дней после окончания работ), объединяющего сваи и ростверк между собой, способствует дальнейшему снижению амплитуд как вертикальных, так и горизонтальных параметров колебаний (еще на 15-20 %). Рис. 5. Графики горизонтальных колебаний модели свайного фундамента: 1 - до усиления; 2 - после нагнетания инъекционного раствора; 3 - после формирования твердого инъекционного тела Fig. 5. Graphs of horizontal vibrations of the pile foundation model: 1 - before amplification; 2 - after injection cement-sand mortar; 3 - after the formation of a solid injection body Рис. 6. Графики вертикальных колебаний модели свайного фундамента: 1 - до усиления; 2 - после нагнетания инъекционного раствора; 3 - после формирования твердого инъекционного тела Fig. 6. Graphs of vertical vibrations of the pile foundation model: 1 - before amplification; 2 - after injection cement-sand mortar; 3 - after the formation of a solid injection body Предложенным методом было усилено несколько натурных свайных фундаментов, эксплуатирующихся в условиях динамического нагружения, в том числе для снижения высокого уровня колебаний было усилено грунтовое основание свайного фундамента ВПЛ-200-400. Ростверк фундамента с размерами в плане 1,4´2,45 м и высотой 0,6 м опирался на 4 забивных железобетонных сваи С6-30 длиной 6,0 м. Грунты основания были представлены водонасыщенными суглинками от текучей до мягкопластичной консистенции. Масса установки - 45 кН, мощность 144 кВт, рабочая частота 2980 об./мин. Регистрация параметров колебаний производилась до и после усиления грунтового основания. Замеренные амплитуды колебаний фундамента ВПЛ-200-400 превышали предельно допустимые значения по целому ряду показателей, включая санитарно-гигиенические нормы. Для усиления основания в верхнюю зону междусвайного пространства было закачено около 1,0 м3 пластифицированной цементно-песчаной смеси. В результате выполненных работ вертикальная составляющая амплитуд колебаний уменьшилась в зависимости от частотного диапазона в 1,2-1,6 раза, а горизонтальная - в 1,5-3,0 раза и более. После выполненного усиления параметры колебаний фундамента стали меньше предельно допустимых значений. Заключение Усиление грунтового основания свайных фундаментов под машины с динамическими нагрузками инъецированием подвижного цементно-песчаного раствора позволяет существенно (до 1,8-2,6 раз) снизить уровень их колебаний как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Наибольший эффект наблюдается при заполнении пространства между ростверком и грунтовым основанием жидкой инъекционной смесью, что приводит к ликвидации зазоров, включению основания в работу и повышению массы колеблющейся системы - тем самым к существенному снижению параметров как горизонтальных, так и вертикальных колебаний.

About the authors

M. L Nuzhdin

LLC “Research and Design Expert Consulting Enterprise “О&F”

L. V Nuzhdin

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering

References

Statistics

Views

Abstract - 529

PDF (Russian) - 196

Refbacks

• There are currently no refbacks.