УДК 624.138.1

Повышение несущей способности основания, усиленного выштампованными микросваями

Попов Андрей Сергеевич – кандидат технических наук, доцент Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева Шевченко Виталий Владимирович – магистрант Рязанского института – филиала Московского политехнического университета

Аннотация: В статье рассматриваются усиление основания фундаментов выштампованными микросваями сложных инженерно-геологических условиях исторической застройки Санкт-Петербурга. Выштампованные микросваи – эффективный и безопасный метод усиления основания фундаментов зданий в сложных инженерно-геологических условиях.

Ключевые слова: выштампованная микросвая, уплотненный «клин», участок скольжения, усиленное основание, схема основания.

В современном постоянно меняющимся мире, меняется внешняя архитектура и внутреннее наполнение зданий. К изменениям наружных форм относится надстройка мансард (дополнительных этажей). Внутренние изменения затрагивают замену междуэтажных перекрытий деревянных на железобетонные и углубление подвалов. В каждом из обозначенных случаях происходит либо дополнительное нагружение основания, либо изменение расчетной схемы работы существующих фундаментов.

Зачастую при реконструкции зданий и сооружений не проводят инженерно-геологические изыскания и расчётные обоснования. Не учитывается предварительное напряжение грунтов основания под существующими фундаментами до начала реконструкции. Как следствие реконструкция зданий и сооружений без усиления фундаментов и их оснований приводит к неравномерным деформациям сооружений, что в свою очередь приводит к трещинам в стенах и к недопустимым кренам зданий и сооружений.

Первые экспериментальные исследования по определению предельного сопротивления песчаных грунтов оснований фундаментов были проведены в 1888 году профессором Санкт-Петербургского института инженеров путей сообщения В.И. Курдюмовым. Исследования Курдюмова впервые показали, что разрушение песчаных грунтов основания фундаментов происходит как сдвиг постоянного объема грунта на криволинейной поверхности скольжения. При воздействии на фундамент осесимметричной центральной нагрузки происходит выпучивание грунта фундамента вдвух плоскостях (исследования В.И. Курдюмова в конце 19 века).

Опираясь на исследования выполненные В.И. Курдюмовым, в которых подчеркивались качественные аспекты процессов, происходящих при разрушении песчаных оснований фундаментов, был сделан ряд предложений по методам расчета предельного давления оснований и разработана теория предельного сопротивления грунтов в основаниях зданий и сооружений. В методе расчета предельного давления использовалась плоскость поверхности скольжения, состоящая из двух пересекающихся плоскостей. Первая плоскость скольжения располагалась внутри фундамента, а вторая вне фундамента. Линия контакта (предельное состояние) поверхностей скольжения располагалась на границе основания фундамента.

Большой вклад в исследование песчаных оснований сделали учёные: Н.М. Герсеванов, С.И. Белзецкий, В.Г. Березанцев, Н.П. Пузыревский, М.В. Малышев, Л. Прандтль, В.В. Соколовский и др.

Исследования предельного давления, проведенные С.И. Берзецкими Н.М. Герсебановым, дали толчок развитию метода предельного давления, в котором криволинейные поверхности скольжения заменены плоскими, хотя по мнению проф. Н.П. Пузилевского, поверхности скольжения являются криволинейными.

Метод решения задачи предельного равновесия грунта, предложенный В.В. Соколовским, включал в себя решение большинства проблем расчета устойчивости грунтового массива. Благодаря результатом исследований проведенным В.В. Соколовским стало возможным определение контуров поверхности скольжения и расчет предельной нагрузки на основание фундамента для условий плоской задачи.

Метод решения для определения предельного давления на основание, основанный на теории предельного равновесия при вертикальной нагрузке, был впервые описан Л. Прандтлем [3].

На основании исследований проведенных В.Г. Березанцевым стало понятно, что способы по определению предельного давления появившиеся до середины 20 столетия дают заниженные результаты. Это такие методы как - метод, основанный на использовании теории линейно-деформируемого полупространства, – метод, основанный на применении круглоцилиндрической поверхности скольжения. Самые точные результаты расчета получаются при решении теории предельного равновесия. Решение теории предельного равновесия устраняет необходимость произвольного определения очертания поверхности скольжения и позволяет определить предельное давление на фундамент и очертание поверхности скольжения с точностью до исходных данных. Результаты теоретических расчетов предельного давления на основе теории предельного равновесия и результаты экспериментов, проведенных В.Г. Березанцевым, практически совпадают. При решении плоской задачи теории предельного равновесия для ленточного фундамента, подверженного равномерно распределенным нагрузкам, состояние предельного равновесия в основании фундамента достигается, если предельное давление неравномерно распределено по подошве фундамента. Если внешняя нагрузка распределена неравномерно, то в момент проявления предельного состояния сдвиг грунта проявляется с одной стороны от подошвы фундамента, в то время как при центральной (симметрично распределенная) нагрузке на фундамент сдвиг происходит с двух сторон. Важное значение для изучения схем сдвига основания фундаментов при предельном состоянии играют работы В.Г. Березанцева и Л. Прандтля. При достижении в основании предельного давления в нем выделялись три участка (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема участков основания фундамента при полосовой равномерно распределённой нагрузки на фундамент (теория Прандтля). I – участок «клин», состоит из плотного грунта; II – участок проявления пластических деформаций (образования сдвигов грунта); III – участок с поверхностью скольжения (образование выпора).

На схеме рисунка 1 показан первый участок, он находится непосредственно под фундаментом в виде уплотнённого «клина». Согласно исследованиям проведенным В.Г. Березанцевым, «клин» перемещается вместе с фундаментом при осадке, таким образом давление передается на нижние слои грунта. Второй участок характерен тем, что в нём появляются области сдвигов. В третьем участке образуется выпор грунта.

Характерные участки сдвигов в малозаглублённых и незаглублённых фундаментах возникают намного раньше, чем в фундаментах заглубленных. Это происходит благодаря тому, что сдвигу сопротивляется грунт лежащий выше подошвы фундамента.

Уплотнение грунта выштампованными микросваями выполняется для снижения сжимаемости и повышения несущей способности грунтов несущего слоя как под отдельно стоящими фундаментами, так и под ленточными (данный метод усиления является конструктивным).

Усиление фундаментов и оснований выштампованными микросваями применяется, как для существующих так и новых фундаментов. Его особенностью при выполнении работ является минимальное вибрационное воздействие на основания усиливаемых фундаментов и на основание фундаментов рядом расположенных зданий и сооружений.

Благодаря небольшим размерам пневмопробойника усиление возможно производить в стесненных условиях, в узких траншеях и подвалах.

Сам процесс выполнения выштампованных микросвай [2] состоит из следующих шагов:

1. В подвале или из котлована возле здания или сооружения вдоль стен пневмопробойником пробиваются скважины диаметром 130…155 мм, наклонные или вертикальные.
2. После выполнения скважины, она засыпается сухой бетонной смесью, далее повторно выполняется пробивка скважины, и так до 10 раз. В результате вокруг скважины образуется уплотнение из бетона.
3. Следующим шагом, в скважину заливается тяжелый бетон (минимальный класс В25) и выполняется армирование. Пространственный арматурный каркас с помощью вибратора погружается в бетонную смесь.
4. В итоге в основании фундамента получается свая длиной до 2…2,5 м и диаметром 200…250 мм [1].

Схема взаимодействия микросваи с основанием фундамента показана на рисунок 2.

     

Рисунок 2. Схема взаимодействия основания и микросваи до поворота вокруг т. О от давления под подошвой фундамента. I – участок «клин», состоит из плотного грунта; II – участок формирования пластических деформаций (появление условий для сдвига); III – участок постоянного скольжения грунта (свободный выпор грунта).

В правой части рисунка 2 изображена расчётная схема (теория Л. Прандтля) давления нагрузки от фундамента на основание, для усиления основания   используются выштампованная микросвая.

Рисунки 2, 3 показывают, что усиление основания выштампованными микросваями выполняется за счет нескольких факторов:

1. Выштампованные микросваи расположены рядом вдоль фундаментов и  прорезают участок II (рисунок 2), благодаря этому выполняют роль подпорной стены препятствующей развитию горизонтальных деформаций (сдвигов грунта). На микросваю, верхнюю часть, начинает действовать активное давления грунта  (горизонтальный распор). Значение данного давления вдоль микросваи не равномерно, максимальное значения давления проявляется в момент перемещения жёсткой сваи (вокруг т. О на рисунке).
2. Противодействуя силе активного давления  будет возникать пассивный отпор , включающий в себя две фазы, первая фаза – пассивный отпор до поворота микросваи вокруг т. О и вторая фаза пассивный отпор после начала перемещений микросваи относительно т. О. В первой фазе пассивный отпор действует до момента возникновения перемещения микросваи вокруг т. О (см. рис. 2), то есть до момента равенства активного давления и пассивного ( = ). В первой фазе пассивный отпор действует по всей длине микросваи. Во второй фазе пассивный отпор проявляется в момент начала поворота микросваи вокруг т. О, в момент начала поворота поверхность скольжения начинает плавно обтекать верхнюю часть микросваи за счет чего уменьшается площадь сопротивления пассивного отпора в верхней части в 12 раз согласно [4], пассивный отпор остается только в нижней части (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема взаимодействия основания и микросваи при начальном повороте вокруг т. О от давления под подошвой фундамента.

 I – участок «клин», состоит из плотного грунта; II – участок проявления пластических деформаций (образования сдвигов грунта); III – участок с поверхностью скольжения (образование выпора)

Использование выштампованных микросвай, как конструктивного метода усиления основания фундаментов, является действенными способом избежать дополнительных осадок фундаментов от дополнительных нагрузок.

Выводы

1. С каждым годом растет количество зданий, которым необходимо усиление оснований, это связано с изменением внешней архитектуры и внутреннего содержания зданий.
2. Благодаря проведенным исследованиям определены основные факторы развития деформаций оснований.
3. Применение выштампованных микросвай как конструктивного метода усиления основания фундаментов является действенным способом усиления основания фундаментов, и позволяет значительно снизить осадки фундаментов от дополнительных напряжений вызванными дополнительными нагрузками.

Список литературы

1. Исследование зон уплотнения грунтового основания вокруг выштампованных микросвай / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Межвузовский тематический сборник трудов. СПб.: СПб ГАСУ, 2009. – С. 90-94.
2. Оценка закрепления основания методом пневмотрамбования щебеночно-цементной смеси / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2007. – Вып. 4. – С. 88-97.
3. Основы инженерной геологии и механики грунтов / Н. Н. Маслов. – М.: Высшая школа, 1982. – 504 с.
4. Руководство по проектированию и устройству заглубленных инженерных сооружений. – М.: Стройиздат, 1986. – 92 с.