Размещено на http: //www. allbest. ru/

Практическая реализация метода вертикального армирования неоднородного основания для компенсации неравномерной деформируемости грунтового массива и снижения сейсмических воздействий на надземное сооружение

Мариничев Максим Борисович

Ткачев Игорь Геннадьевич

Шлее Юрий

Аннотация

Объектом исследования являются вертикально-армированные грунтовые основания высотных зданий и их работа в сложных инженерно-геологических условиях. Рассмотрена совместная работа армирующих элементов и околосвайного грунта в ходе моделирования армированного основания для жилого дома в г. Сочи. Расчеты проводились в ПК PLAXIS 2D, ING+ и MIDAS GTS. В результате численного моделирования сопоставлены схемы комбинированного свайно-плитного и плитного фундамента на армированном вертикальными элементами основании с учетом сейсмичности площадки строительства

Ключевые слова: вертикально-армированные основания, буроинъкционные сваи, деформации грунта, сейсмичность, конечноэлементное моделирование

Annotation

Practical implementation of vertical reinforcement for non-homogeneous bases as a method to reduce non-uniform deformability of subsoil and compensate seismic loads to upper structure

The subjects of study are vertically reinforced bases of high-rise buildings and its behavior in compound subsoil conditions. The article reviews the carried out analyses of reinforced subsoil for high-rise building in Sochi with particular simulation of combined action for reinforcing elements and nearby surface. Analyses were carried out with such software as PLAXIS 2D, ING+ and MIDAS GTS. As a result of numerical analyses the comparison of raft-pile foundation and slab foundation on reinforced subsoil has been performed for seismic regions

Keywords: vertically reinforced subsoil, continuous flight auger piles, soil settlements, seismic activity, finite element analyses

Введение

Проблема строительства промышленных и гражданских сооружений в сложных грунтовых условиях весьма актуальна, поскольку значительные по размерам территории России сложены просадочными, лессовыми, слабыми водонасыщенными, насыпными, набухающими и вечно-мерзлыми грунтами. Многие регионы России относятся к сейсмическим районам, где возможны землетрясения интенсивностью более 7 баллов. Обеспечение необходимой прочности и деформируемости таких оснований и конструкций фундаментов явлется сложной технической задачей, для решения которой необходимо применение специальных инженерных мероприятий, дорогостоящих материалов и технологий, что зачастую приводит к удорожанию строительства.

Одним из мероприятий по снижению неравномерности осадок и деформаций плитных фундаментов является армирование грунтов основания. На сегодняшний день в нормативных документах практически отсутствуют методы проектирования оснований, армированных вертикальными элементами, несмотря на значительный опыт применения этого подхода за рубежом (см. рис. 1) [6].

1. Материалы исследования

В отсутствии нормативной базы принятие предварительных проектных решений основывается на существующем практическом опыте устройства армированных оснований. Недостаточность изученности метода определяет необходимость проведения исследований в этом направлении, а в последствии дополнения существующих нормативных документов.

С каждым годом совершенствуются технологии, появляются новые прогрессивные методы устройства оснований зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях и в условиях плотной городской застройки. Одним из способов повышения прочностных характеристик основания является применение вертикального армированния грунта. В данной статье описывается опыт проектирования вертикально-армированного грунтового массива в г. Сочи, где при помощи этого метода был возведён квартал из шести 19-этажных жилых домов. Данное техническое решение позволило существенно снизить деформации основания, избежать неравномерность осадок, снизить материалоемкость и трудоемкость при возведении фундамента на участке с 9-балльной сейсмичностью площадки.

Рисунок 1 Армогрунтовая насыпь при строительстве участка железной дороги, Германия а - выполнение армирования основания на участке железной дороги Нассенхайде - Ловенберг, вблизи Берлина б - элементы вертикального армирования основания (забивные сваи +сборные оголовки) в - устройство грунтовой подушки из песчаного грунта

Армированное грунтовое основание представляет собой комбинацию грунта и армирующих элементов. Армирующие элементы располагаются в вертикальном направлении с таким расчётом, чтобы ограничить деформации грунтов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Армирующие элементы улучшают деформационные свойства основания, взаимодействуя с грунтом по боковой поверхности и в уровне острия. Передача нагрузок от сооружения на основание осуществляется через промежуточную грунтовую подушку (см. рис. 2), выполненную из малосжимаемого материала, отсыпаемого и уплотняемого послойно (например, гранитного щебня).

Для изучения работы армированных грунтовых оснований были проведены теоретические исследования, включавшие в себя численное моделирование работы армированных грунтовых оснований в водонасыщенных глинистых и песчано-глинистых грунтах. В результате этого удалось получить качественную и количественную оценку работы армированных вертикальными элементами грунтовых массивов.

Для реализации поставленных задач по определению осадок армированных грунтовых оснований использовались геотехнические программы «MIDAS GTS» и «PLAXIS».

фундамент армированный грунт сейсмический

Рисунок 2 Схема передачи нагрузок на свайный фундамент и армированное основание

В отличие от свайно-плитного фундамента армированный массив обладает рядом отличительных особенностей именно в сейсмических районах:

1. Сейсмическое воздействие частично гасится промежуточным слоем (на верхнюю часть сваи не передаются горизонтальные силы и изгибающие моменты);

2. Не действуют ограничения по длине и диаметру армирующих элементов;

3. Армирующие элементы могут быть изготовлены в заводских условиях, а также в виде буровых и грунтоцементных свай или их комбинаций;

4. За счёт работы промежуточного слоя нагрузка на сваи и плиту распределяется практически поровну;

5. Cнижается материалоемкость и трудоемкость при возведении «нулевого цикла» зданий и сооружений.

Исследования проводились на примере строительного объекта: «Жилой квартал в г. Сочи по ул. Гастелло, 27».

По результатам геологических изысканий грунтовый массив в пределах строительной площадки сложен суглинистыми грунтами с включениями органики, участками сильно опесчанеными с модулем деформации 4,2-11,7 МПа, залегающими до глубины 30-35 м. Ниже залегают суглинки твёрдые, слоистые с модулем деформации 22-34 МПа. Инженерно-геологический разрез площадки представлен на рисунке 3, а физико-механические свойства грунтов и условные обозначения в таблице №1.

В таких сложных инженерно-геологических условиях первоначально рассматривался вариант свайного фундамента. Но ввиду высокой сейсмичности при использовании свайного фундамента необходимо учитывать ряд ограничений, не позволяющих проектировать буровые сваи с отношением ?/d ? 25, в связи с чем принят вариант устройства вертикально армированного грунтового массива из буроинъкционных свай CFA диаметром 400мм и длиной 35м. Поверх свай устраивались железобетонные оголовки. Пространство между оголовков было заполнено и послойно уплотнено гранитным щебнем фракциями от 20-40 мм и 40-70мм. Схема расположения элементов вертикального армирования грунта приведена на рисунке 4.

Таблица 1 Основные прочностные характеристики грунтов площадки строительства

Рисунок 6 Результаты расчета в ПК «M idas GTS» свайно-плитного фундамента а - осадки фундаментной плиты б - усилия в сваях

Для снижения крена и максимальных осадок было принято решение о введении в состав основания буроинъекционных свай под пятном фундаментной плиты. Промежуточный слой был выполнен из гранитного щебня с приведёнными физико-механическими характеристиками: Е=40МПа; ц=55?; C=30 кН/м2 h=600мм.

Большинство армирующих элементов устраивались в осях несущих стен с шагом 1,45 м и переменной длиной - 34-35м (см. рис. 4).

Для расчета осадки здания в ПК «ING+» рассматривали буроинъекционные сваи и грунт как грунтовый массив с осредненным модулем (эффективным) деформации

,

где Ер, Еg - модули деформации свай и грунта;

Sp, S - площадь всех свай и общая площадь плиты.

По результатам расчетов максимальная осадка здания составила 83 мм, минимальная - 68 мм, относительная разность осадок - 0,0015. Однако данная методика не учитывала расположения свай и, следовательно, нуждается в доработке, так как жесткости железобетонных свай и грунтового основания несопоставимы (Есвай=30000МПа, а грунтового массива Еср?15МПа).

Расчет армированного основания в ПК «PLAXIS 2D» производился по модели грунта Кулона - Мора и установил, что осадки здания превышают значения, полученные по методике осреднения модуля деформации по правилу механической смеси, и составляют около 195 мм (см. рис. 7). Данный результат сопоставим с осадками, полученными при 3D-моделировании в ПК «MIDAS GTS» (см. рис. 6).

Рисунок 7 Результаты расчета армированного основания в ПК «PLAXIS» а - вертикальные перемещения (осадки) на последней стадии расчета

Таким образом, по ПК «PLAXIS» и «MIDAS GTS» прогнозируемая величина максимальной осадки фундаментной плиты на армированном основании составила 193-195 мм, что ниже предельной максимальной осадки, регламентируемой действующими нормативными документами [2]. Увеличение осадки в сравнении со свайно-плитным фундаментом объясняется наличием между сваями и фундаментной плитой промежуточного слоя, обладающего распределительной способностью. Таким образом, фундаментная плита воспринимает до 40-50% нагрузки, ее вовлечение в работу меняет деформируемость армированного грунта, о чем свидетельствует распределение точек пластических деформаций по объему грунтовой подушки (см. рис. 8).

Рисунок 8 Распределение точек пластических деформаций по грунтовой подушке из гранитного щебня

Для контроля качества работ были выполнены опытные сваи и испытаны статической вдавливающей нагрузкой по ГОСТ 5686-94. Расчетная допускаемая нагрузка по проекту составила 1600 кН, однако в процессе испытаний была установлена несущая способность сваи Fd=2500 кН. График зависимости осадки о нагрузки представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 График «Осадка - нагрузка», построенный по результатам испытания грунтов вертикальными вдавливающими нагрузками на буроинъекционную сваю длиной 35 метров, диаметром 400мм

Рисунок 10 Этапы выполнения вертикального армирования основания на объекте в г. Сочи

Выводы

Совокупность выполненных экспериментальных исследований позволила сформулировать следующие результаты работы:

1. На примере трех различных программных комплексов была рассчитана осадка 19-этажного здания на слабых глинистых грунтах. установлено, что применение плитного фундамента на исследуемом объекте недопустимо в виду высокой и неоднородной сжимаемости основания. Изготовление комбинированных свайно-плитных фундаментов из буронабивных свай ограничивается в сейсмических районах отношением длины к диаметру [1]. Применение свай заводского изготовления осложняется ввиду их составного строения и низкой несущей способности на восприятие горизонтальных нагрузок.

2.В результате улучшения деформационных характеристик грунтов основания путем введения вертикальных элементов, были получены экспериментальные данные о деформативности оснований, армированных буроинъекционными сваями.

3.Использование вертикально-армированного основания позволило снизить осадки здания более чем в 3 раза по сравнению с плитным фундаментом для объекта: «19-этажный жилой дом в г. Сочи по ул. Гастелло, 27».

4.Использование щебеночной подушки между оголовками свай и фундаментной плитой толщиной 0,5-0,6м позволяет частично компенсировать сейсмическое воздействие, а также распределить более равномерно давление от надземного сооружения.

5. В результате введения вертикального армирования была достигнута равномерная осадка зданий, подтвержденная расчетами в программных комплексах «ING+2012», «MIDAS GTS» и «PLAXIS».

В целом, прогрессивные мероприятия по повышению деформационных характеристик основания позволяют значительно повысить применяемость плитных фундаментов на слабых грунтах, сократить материалоёмкость и сроки возведения оснований и фундаментов высотных зданий.

Библиографический список

1. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. - М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова,2010.

2. СП 50-102-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов. - М.: Госстрой России, 2004.

3. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. - М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 2011.

4. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов: монография - Пермь, Пресстайм, 2007. - 168с.

5. Караулов А.М. Практический метод расчета вертикально армированного основания ленточных и отдельно стоящих фундаментов транспортных сооружений// Основания и фундаменты, подземные сооружения: Вестник ТГАСУ № 2, 2012.

6. Мирсаяпов И.Т. Эффективные армированные грунтовые основания [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://minstroy.tatarstan.ru/file/1%D0%B4(1).pdf, свободный. -- Загл. с экрана.

7. S.J.M. van Eekelen, A. Bezuijen « Dutch research on basal reinforced piled embankments», 8.Geokunststoff-Kolloquium, 2013.

References

1. SP 24.13330.2011 Svajnye fundamenty. - M.: NIIOSP im. N.M. Gersevano-va,2010.

2. SP 50-102-2003 Proektirovanie i ustrojstvo svajnyh fundamentov. - M.: Gos-stroj Rossii, 2004.

3. SP 22.13330.2011 Osnovanija zdanij i sooruzhenij. - M.: NIIOSP im. N.M. Gersevanova, 2011.

4. Malinin A.G. Strujnaja cementacija gruntov: monografija - Perm', Presstajm, 2007. - 168s.

5. Karaulov A.M. Prakticheskij metod rascheta vertikal'no armirovannogo osno-vanija lentochnyh i otdel'no stojashhih fundamentov transportnyh sooruzhenij// Osnovanija i fundamenty,podzemnye sooruzhenija: Vestnik TGASU № 2, 2012.

6. Mirsajapov I.T. Jeffektivnye armirovannye gruntovye osnovanija [Jelektron-nyj resurs] / Rezhim dostupa: http://minstroy.tatarstan.ru/file/1%D0%B4(1).pdf, svobodnyj. -- Zagl. s jekrana.

7. S.J.M. van Eekelen, A. Bezuijen « Dutch research on basal reinforced piled embank-ments», 8.Geokunststoff-Kolloquium, 2013.

Размещено на Аllbеst.ru