автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Оценка работы свай в составе фундаментов реконструируемых зданий

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Павел Александрович

ОЦЕНКА РАБОТЫ СВАЙ В СОСТАВЕ ФУНДАМЕНТОВ РЕКОНСТРУИРУМЫХ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

005543680

Санкт-Петербург - 2013

005543680

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Основания и фундаменты»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Парамонов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Полищук Анатолий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», кафедра «Основания и фундаменты», профессор

Конюшков Владимир Викторович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», кафедра геотехники, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО«Дальневосточный

государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск

Защита диссертации состоится «"¿б » декабря 2013 г. в часов на за-

седании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72 Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «¿2^ »

UoflUp/i 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

< лплп" Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Реконструкция существующих зданий, как правило, связана с решением одной из двух основных задач - приспособление существующего здания под современные нужды либо «спасение» здания. На сегодняшний день в Санкт-Петербурге имеется большое количество зданий, являющихся памятниками архитектуры. Необходимость сохранения таких зданий является бесспорной, однако существующие объемно-планировочные решения, как правило, не отвечают современным функциональным нуждам, строительные конструкции таких зданий часто оказываются существенно изношенными, грунты оснований под фундаментами перегруженными.

Кроме этого, в Санкт-Петербурге имеется большое количество зданий советского периода постройки. Как правило, техническое состояние наземных несущих конструкций таких зданий можно охарактеризовать как работоспособное, причем наземные несущие конструкции нередко способны воспринять существенные дополнительные нагрузки сверх фактически действующих нагрузок. Это позволяет выполнять надстройки дополнительных этажей, передавая дополнительную нагрузку на существующие несущие конструкции. Такие здания часто возводились на свайных фундаментах. Обследование во многих случаях показывает, что несущей способности свай, определенной расчетом либо по результатам статического зондирования, недостаточно для восприятия дополнительных нагрузок, что приводит к необходимости усиления фундаментов в условиях реконструкции.

В перечисленных выше случаях, как правило, требуется усиление оснований и фундаментов зданий. На сегодняшний день при усилении фундаментов исторических зданий Санкт-Петербурга широкое распространение получили различные свайные конструкции. В то же время анализ научно-технической литературы показывает, что вопросы распределения нагрузок между усиливаемыми фундаментами и сваями усиления изучены недостаточно. Недостаточно также изучены вопросы, связанные с работой свай в составе существующих свайных фундаментов в условиях увеличения нагрузок. В связи с этим тема диссертации является весьма актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Отечественные инженеры отмечают, что в последние 20 лет в практике усиления все шире используют бу-роинъекционные сваи.

Нередко отмечалось, что не существует реальной альтернативы применению буроинъекционных свай для спасения исторических зданий.

Отечественные геотехники, изучавшие работу буроинъекционных свай (Бро-вин C.B., Вронский A.B., Джантимиров Х.А., Конюшков В.В., Никитенко М.И., Осокин А.И. и др.), рекомендуют их к применению в условиях реконструкции.

Другой, не менее важный вопрос - распределение нагрузок между сваями и фундаментами.

Изучением работы свай в составе свайных фундаментах и их взаимодействия с окружающим грунтом занимались Аббас З.Ф, Бартоломей A.A., Бахолдин Б.В.,

Безволев C.B., Девальтовский Е.Э., Джантимиров Х.А., Козачок, JI. Д., Курилло C.B., Никитенко М.И., Полищук А.И., Скороходов А.Г., Федоровский В.Г. и др.

Результаты обзора научно-технической литературы показали, что:

- ростверк играет существенную роль в передаче нагрузок от сооружения на основание, однако современная нормативная документация пренебрегает ролью ростверка в передаче нагрузок на основание;

- отсутствует стабильная зависимость в распределении нагрузок между сваями и ростверком, при этом относительная длина сваи (1/d) оказывает существенное влияние на характер распределения нагрузок;

- результаты исследований распределения нагрузок, описанные в научно-технической литературе, неоднозначны;

- надежная инженерная методика расчета усиления фундаментов сваями отсутствует;

- имеется ряд методик, позволяющих оценить взаимное влияние свай, однако влияние ростверка или усиленного фундамента на несущую способность свай мало изучено.

На сегодняшний день остаются достаточно актуальными вопросы, связанные с изучением закономерностей распределения нагрузок в системе «свая-ростверк-грунт» и влияния ростверка (усиленного фундамента) на несущую способность свай.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования " установление закономерностей работы свай в системе «свая-ростверк-грунт» для фундаментов, усиливаемых сваями, в сравнении со свайными фундаментами с низким ростверком, разработка инженерной методики оценки несущей способности свай в составе фундаментов реконструируемых зданий.

Задачи исследования:

1. Проведение анализа существующих исследований распределения нагрузок между сваями и ростверком (фундаментом) для свайных фундаментов и для фундаментов, усиленных сваями, результатов исследований несущей способности свай в составе свайных фундаментов.

2. Разработка методики маломасштабного физического моделирования работы свай в различных фундаментных конструкциях, проведение экспериментальных исследований распределения нагрузок в исследуемых конструкциях и характера работы свай.

3. Выполнение сравнительного анализа работы свай в различных условиях, выявление различия в характере распределения нагрузок в случаях свайных фундаментов с низким ростверком и усиливаемых фундаментов, определение величины нагрузки, передаваемой сваями на основание, и характера ее изменения при увеличении нагрузки на фундамент.

4. Исследование влияния ростверка и усиливаемого фундамента на несущую способность свай.

5. Разработка инженерной методики расчета, позволяющей выполнить оценку величину нагрузки, передаваемой сваями на основание, в случае свайного фундамента с низким ростверком и фундамента, усиленного сваями.

6. Разработка инженерной методики расчета, позволяющей оценить эффект увеличения несущей способности свай под нагрузками от сооружения.

Объект исследования являются свайные и усиливаемые сваями фундаменты в условиях реконструкции.

Предметом исследования является работа свай в составе усиливаемых и свайных фундаментов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Выполнено теоретическое обоснование необходимости учета распределения нагрузок и увеличения несущей способности свай.

2. Установлены основные различия и закономерности распределения нагрузок в свайных фундаментах с низким ростверком и фундаментах, усиливаемых сваями.

3. Разработана методика оценки распределения нагрузок между сваями и ростверком или усиливаемым фундаментом.

4. Экспериментально установлен эффект увеличения несущей способности свай в составе фундаментов.

5. Разработана методика оценки несущей способности свай, работающих в составе нагруженных конструкций.

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения существующих инженерных методик проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений, теоретические основы существующих норм проектирования фундаментов с учетом современных тенденций в сфере реконструкции существующих зданий и сооружений и уплотнительной застройки исторической части мегаполисов, теоретические основы маломасштабного физического моделирования, метод эксперимента.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения, п.7 «Разработка новых методов расчета, конструировании устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций».

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработаны инженерные расчетные методики, позволяющие выполнять прогноз несущей способности сваи с учетом увеличения под влиянием нагрузок от наземных конструкций как для случаев свайных фундаментов с низким ростверком в составе реконструируемых зданий, так и для случаев фундаментов на естественном основании, усиливаемых сваями в процессе реконструкции зданий.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются для оценки предполагаемой несущей способности свай в составе фундаментов существующих зданий ЦОСКЗ и СПбГАСУ. Разработанная методика прогноза увеличения несущей способности свай в составе существующих фундаментных конструкций, успешно примененная на объекте реконструкции, расположенном по адресу: Санкт-Петербург, Уткина пр., д., 15 Литер Е.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на восьми отечественных и зарубежных научно-практических конференциях: Конференция молодых ученых «Шаг в будущее» (ПГУПС, 2011), Конференция молодых ученых (ПГУПС, 2012), 63-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (СПбГАСУ, 2010 г.), Международная Геотехническая конференция «Baltic Piling Days 2012» (Tallinn University of Technology, 2012), Международная конференция «5th Polish conference of young geotechnicians, Polish Geotechnical Committee and Institute Geotechnicsand Hydrotechnics of Wroclaw Univeristy of Technology» (Wroclaw University of Technology, 2012), Международная конференция «XXV Jubileuszowej konferencja naukowej «Metody komputerowe w projektowaniu i analizie konstrukcji hydrotechnicznych» Politechnika Krakowska» (Krakow - Instytut Geotechniki Zaktad Podstaw Konstrukcji Inzynierskich, 2013, Международный симпозиум «5th international geotechnical symposium» (Incheon, Republic of Korea, 2013), Международная конференция «18th international conference on soil mechanics and geotechnical engineering» (Paris, France, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, общим объемом 6,44 п.л., лично автором - 4,44 пл., в том числе4 работ опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, общих выводов.

Диссертация содержит134страницы машинописного текста, 10 таблиц, 52 рисунка, 30 формул, 1 приложение и список использованной литературы из 129 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Во введении сформулирована научная задача и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости.

В первой главе приведены результаты анализа существующих исследований в сфере рассматриваемой тематики, отражена степень изученности темы, приведены основные

проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная и практическая значимости

Во второй главе приведены результаты определения граничных условий проведения маломасштабного физического моделирования, лабораторных исследований свойств грунтов, использованных при моделировании основания при маломасштабном физическом моделировании, обоснование размеров и нагрузочных параметров моделей, приведено описание разработанного измерительного оборудования и результаты его тарировки.

В третей главе сформулированы основные цели и задачи физического маломасштабного моделирования, приведены результаты маломасштабного моделирования работы свай в составе различных фундаментных конструкций, статических испытаний моделей свай в различных условиях работы.

В четвертой главе приведена оценка несущей способности свай и распределения нагрузок между сваями и ростверком (усиленным фундаментом), выполнена оценка влияния напряжений в массиве грунта межсвайного пространства на несущую способность свай, разработана расчетная методика, позволяющая оценить увеличение несущей способности моделей свай, оценена достоверность результатов расчетов с применением методик, регламентированных современной нормативной документацией, а так же с применением метода конечных элементов в программном KOManeKcePLAXIS 3D, приведена методика расчета осадок фундаментов реконструируемых зданий.

В пятой главе приведены результаты оценки работы свай в составе различных фундаментных конструкций на примере реальных объектов строительства.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Выполнено теоретическое обоснование необходимости учета распределения нагрузок и увеличения несущей способности свай.

Причины, приводящие к необходимости усиления фундаментов, классифицировались многими отечественными учеными и инженерами (Б.И. Далматов, P.A. Мангушев, В.М. Улицкий и др.). На сегодняшний день при усилении фундаментов исторических зданий Санкт-Петербурга широкое распространение получили различные свайные конструкции. В последние десятилетия в практике усиления все шире используют буроинъекционные сваи, работу которых изучали Бровин C.B., Вронский A.B., Джантимиров Х.А., КонюшковВ.В., Мангушев P.A., Никитенко М.И., Осокин А.И. и др.

Проблемам распределения нагрузок между сваями и ростверком (усиленным фундаментом) посвящены работы Бахолдина Б.В., Бровина C.B., Вронского A.B., Джантимирова Х.А., Завриева К.С., Никитенко М.И. Орленко Н.И., Сернова В. А., ЧуТуанТхань, Шпиро Г.С., Яблочкова В.Д., Р.Катценбаха, Х.Хоффмана, S.Borel и O.Combarieu, Schwab H.H., Gundling N. и Lutz В, Gandhi S.R. и Maharaj D.K. Der-GueyLin и Zheng-YiFeng и др.

В случае устройства свай усиления под подошвой существующего здания уже имеется сформировавшаяся зона уплотнения с дополнительными давлениями, которая проходится сваями усиления. Сваи усиления проектируются на основании результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных рядом с усиливаемыми фундаментами, расчет несущей способности сваи ведется без учета уплотнения грунта под существующим фундаментом. В научно-технической литературе описаны эксперименты по распределению нагрузок между сваями и ростверком, однако для усиливаемых сваями фундаментов такие сведения отсутствуют. Очевидно, это связано с техническими сложностями в постановке такого рода натурных экспериментов. Соответственно, отсутствует и надежная методика расчета усиления фундаментов сваями.

Помимо распределения нагрузок между сваями и ростверком на объектах незавершенного строительства и реконструкции часто возникает необходимость

оценки несущей способности существующих свай. Исследованиями несущей способности свай в составе свайных фундаментов занимались Аббас З.Ф., Бартоломей A.A., Омельчак И.М., Юшков Б.С., Парамонов В.Н., Мытинский В.М., Девальтовский Е.Э., Джантимиров Х.А., Никитенко М.И., А.Л.Невзоров и др. В ряде случаев отмечено увеличение несущей способности свай в составе фундаментов до 2 раз, а иногда и более.

Таким образом, на сегодняшний день остаются актуальными вопросы, связанные с изучением закономерностей распределения нагрузок в системе «свая-ростверк-грунт» для свайных фундаментов и для фундаментов, усиливаемых сваями, а также с оценкой несущей способности свай в составе свайных фундаментов. В связи с технической сложностью, а иногда невозможностью проведения натурных исследований работы свай при усилении фундаментов, а также в составе фундаментов реально существующих зданий, экспериментальные исследования могут быть выполнены в лотковых условиях.

Для достижения поставленных задач в лаборатории ПГУПС в специально разработанном лотке были проведены серии экспериментальных исследований по маломасштабному моделированию различных фундаментных конструкций.

Эксперименты включали в себя изучение работы фундаментов различной конструкции: на естественном основании; свайного с высоким ростверком; свайного с низким ростверком; усиленного сваями.

Кроме этого, проведены испытания свай вертикальной статической нагрузкой в следующих условиях: одиночная свая; свая в составе свайного куста; свая в составе усиленного фундамента после полной разгрузки и с сохранением контактного давления по подошве ростверка; для сваи в составе свайного фундамента.

Для моделирования грунтового основания применялся песок пылеватый, в рыхлом состоянии.

Моделирование велось с применением штампа из оргстекла размерами в плане 150x150 мм и моделей свай, выполненных из алюминиевых трубок диаметром 16 мм и длиной 300 мм (рис. 1).

Измерительное оборудоЬаиие

Модель фундаментной ^ Модель плиты

с bau

ГрунтоЬое оснобание

Рис. 1. Фото модели фундамента (слева) и схема установки (справа)

2. Установлены основные различия и закономерности распределения нагрузок в свайных фундаментах с низким ростверком и фундаментах, усиливаемых сваями

В экспериментах изучалось изменение распределения нагрузок между фундаментом (ростверком) и сваями. С этой целью было разработано и изготовлено специальное измерительное оборудование (рис. 2).

Принцип работы измерительной системы заключался в следующем:

- в отверстиях для установки свай (1) в штамп (8) закреплены направляющие (2) для исключения отклонение свай от вертикальной оси в процессе их установки;

- в верхней части сваи устанавливается алюминиевый ролик (3) диаметром 6 мм;

- ролик упирается в стальное коромысло (4), закрепленное с одной стороны на раме (5); крепление коромысла к раме выполнено в виде шарнира, что позволяет ему вращаться в плоскости перемещения сваи;

- другой конец коромысла прикреплен к штампу при помощи пружины (6).

При включении сваи в работу на коромысло передается нагрузка, которая вызывает поворот коромысла относительно шарнира. Вертикальные перемещения фиксируются индикатором перемещений часового типа.

Предварительно штамповыми испытаниями определены граничные условия по нормируемым нагрузкам (расчетному и предельному сопротивлению основания). Фактическое значение расчетного сопротивления составило 35 кПа, предельного - 83 кПа.

Эксперименты проводились до достижения осадки, приблизительно равной б предельной осадки модели фундамента на естественном основании. Результаты экспериментов приведены на рис. 3.

Совместный анализ результатов всех серий экспериментов показал, что при усилении фундамента процесс включения свай в работу происходит иначе, чем в составе свайного фундамента с низким ростверком (рис. 4). В обоих случаях увеличение нагрузки на фундамент приводит к увеличению нагрузки, воспринимаемой сваями. При этом нагрузка, воспринимаемая сваями, растет практически по линейному закону во всем диапазоне прикладываемых нагрузок.

В процентном соотношении доли нагрузки, воспринимаемой сваями, к нагрузке на фундамент работа свай различается. В усиленном фундаменте доля нагрузки, воспринимаемой сваями, постепенно увеличивается с нулевого значения, в свайном же фундаменте достигает пикового значения в момент приложения первых ступеней нагрузки, при дальнейшем нагружении фундамента уменьшается.

Рис. 2. Измерительное оборудование

5,0

10,0

3 15,0 г

1 20,0 |

3 25,0 1

о 30,0 35,0 40,0

Нагрузка на модель, кН

Нагрузка на модель Л', кН

Нагрузка на модель .V, кН

----------в модели усиленного фундамента

• в модели усиленного фундамента от общей нагрузки ----в модели свайного фундамента

- в модели усиленного фундамента от дополнительной нагрузки

- в модели свайного фундамента от общей нагрузки

Рис. 4. Нагрузка, передаваемая моделями свай на основание в графической интерпретации в процентах от нагрузки на модель (слева) и в кН (справа)

45,0

— • модель усиленного фундамента

-модель фундамента на естественном основании

•..... модель свайного фундамента с низким ростверком

Рис. 3. График распределения нагрузок для рассматриваемых фундаментных конструкций

60,0 т--: I I I-п--П-1 I I I I I И--0,7

& X

50,0 40,0 30,0

Процентное соотношение нагрузок (для свайного фундамента отношение доли нагрузки, воспринимаемой сваями, к полной нагрузке, для усиленного фундамента отношение доли нагрузки, воспринимаемой сваями, к дополнительной нагрузке сверх действовавшей на неусиленный фундамент) стремится к постоянному значению (в проведенных опытах, соответственно, 15-17 % и 21-24 %). Меньшая доля нагрузки, воспринимаемая сваями усиления, очевидно, связана с тем, что грунт под подошвой фундамента уже уплотнен и имеет более высокие деформационные характеристики, чем нижележащие слои грунта.

3. Разработана методика оценки распределения нагрузок между сваями и ростверком или усиливаемым фундаментом

В диссертационной работе сделано и подтверждено экспериментальными данными следующие предположение: суммарная несущая способность свайного фундамента складывается из несущей способности свай и несущей способности ростверка, т. е. распределение нагрузок в свайном фундаменте пропорционально соотношению несущей способности ростверка и свай.

Суммарная несущая способность свайного фундамента складывается из несущей способности основания под ростверком и несущей способности свай. В экспериментах несущая способность основания ростверка составила 72,97 кПа, что соответствует нагрузке 1,84 кН, несущая способность свай

Г°п = 4-0,1225кН = 0,490кН. Суммарная несущая способность фундамента

составит (^оп + Я°п) = 1,84кН + 4 • 0,1225кН = 2,ЗЗкН. Доля нагрузки, передаваемой сваями на основание, в процентном отношении к общей нагрузке может быть определена следующим соотношением:

В экспериментах доля нагрузки, передаваемой сваями, составила не менее 21 %, разница с расчетом не превышает 4,8 %.

При определении нагрузки, передаваемой сваями усиленного фундамента, учтено, что на момент усиления часть дополнительных вертикальных напряжений, составляющих 3,89 кПа, что соответствует усилия на сваю 0,018 кН. Несущая способность свай этом случае составит = 4-0,1225кН —

— 4-0,018 = 0,418кН • Суммарная несущая способность фундамента

(Т™ + Я°п ) = 1,84кН + 0,418кН = 2,258кН , Доля нагрузки, передаваемой сваями на основание, в процентном отношении к общей нагрузке:

ОП.1 свай

/г°п л 490

--100% = ^-400% = 22%

<7^0П +ЛС0П) 2,33

соп.2 _ свай

^^-100% = 18,6% 2,258

В экспериментах доля нагрузки, передаваемой сваями, достигает значения 17 %, разница с расчетом - порядка 8,6 %.

Оценка распределения нагрузок было выполнена, в том числе, расчетом в программном комплексе Plaxis с использованием идеально упругопластичес-кой модели. Расчетные нагрузки, воспринимаемые сваями, ниже экспериментальных значений, однако разница составила не более 28 %.

В лотковых экспериментах со свайными фундаментами практически отсутствует такой важный фактор, как природное давление. С другой стороны отсутствие природного давления позволяет «в чистом виде» проанализировать влияние только приложенных нагрузок на характер распределения нагрузок между сваями и ростверком. Тем не менее, теоретические положения, основанные на лотковых экспериментах, необходимо подтвердить и для натурных условий. В диссертации выполнена оценка распределения нагрузок между сваями и ростверком по экспериментам A.A. Бартоломея.

Опыты, проведенные A.A. Бартоломеем, показали, что при использовании свай длиной 6 м (при шаге 3d) ростверком передается на основание 26 % нагрузки. По результатам расчета по предложенной методике - 32 %. Расхождение с результатами расчета составило 18,5 %.

4. Экспериментально установлен эффект увеличения несущей способности сваи в составе фундаментов

Несущая способность одиночной сваи в экспериментах составила 81 Н или суммарная несущая способность 4 свай составляет 4x81 = 324 Н. Логично предположить, что несущая способность фундамента на естественном основании после усиления увеличится на величину суммарной несущей способности свай (324 Н). В этом случае суммарная нагрузка на сваи по мере нагружения усиленного фундамента должна стремиться к постоянному значению, соответствующему несущей способности свай. Однако эксперимент показал, что несущая способность увеличилась не менее чем на 900 Н с непрерывным ростом нагрузок, передаваемых сваями. Отсюда можно сделать вывод о том, что несущая способность свай по мере нагружения фундамента увеличивается по сравнению с несущей способностью, определенной для одиночной сваи.

Опыты показали, что этот вывод не может быть объяснен «кустовым эффектом». Опыты не подтвердили также и предположение о том, что уплотнение грунта, происходящее в межсвайном пространстве, оказывает существенное влияние на увеличение несущей способности свай.

Увеличение несущей способности свай связано с развитием напряжений в массиве грунта, увеличивающих сопротивление под нижним концом и по боковой поверхности сваи. При этом в усиленном фундаменте несущая способность сваи в 2,5 раза больше несущей способности одиночной сваи, в свайном фундаменте - в 3 раза. Большее значение несущей способности сваи в свайном фундаменте по сравнению с усиленным фундаментом может быть объяснено большим уплотнением и, соответственно, большим увеличением сопротивления грунта под нижним концом свай, поскольку в свайном фундаменте на сваи приходится большая нагрузка.

Результаты экспериментов по испытанию моделей свай в различных условиях приведены на рис. 5.

Нагрузка на сваю N1 Н О 50 100 150 200 250

...........одиночная свая

-свая в составе куста

---свая в составе усиленного фундамента без сохранения контактного давления

----свая в составе усиленного фундамента с сохранением контактного давления

• свая в составе свайного фундамента с низким ростверком с сохранением контактного давления Рис. 5. Сопоставление результатов испытания свай в различных условиях работы

5.Разработана методика оценки несущей способности свай, работающих в составе нагруженных конструкций

Увеличение несущей способности свай связано с развитием напряжений в массиве грунта. Экспериментальные исследования показали, что существенный рост несущей способности свай по сравнению с несущей способностью одиночной сваи наблюдается в условиях нагруженного фундамента. Давление по подошве ростверка или усиливаемого фундамента вызывает развитие дополнительных напряжений в массиве грунта, вызывающих увеличение расчетного сопротивления грунта на боковой поверхности и под нижним концом. Учет дополнительных напряжений по боковой поверхности и под нижним концом в рамках инженерных подходов может быть выполнен различными методами, в связи с чем в диссертации выполнена проверка некоторых методов оценки дополнительных напряжений и выбран метод, показывающий наилучшую сходимость с экспериментальными результатами.

Это метод состоит в следующем.

1. Определяется несущая способность сваи по методике, приведенной в СП 24.13330.

2. Определяется соотношение распределения нагрузок между сваями и ростверком (усиленным фундаментом) по предложенной выше методике.

3. От контактного давления, определенного методом угловых точек, с учетом распределения нагрузок определяются дополнительные вертикальные напряжения в массиве грунта в межсвайном пространстве.

4. Определяются дополнительные горизонтальные напряжения в межсвайном пространстве путем умножения дополнительных вертикальных напряжений на коэффициент бокового давления грунта.

5. Дополнительные горизонтальные давления умножаются на площадь поверхности рассматриваемого участка сваи и на коэффициент трения, равный 1§ф, определяется величина прироста несущей способности и суммарная несущая способность сваи.

Разница между расчетной несущей способностью сваи в свайном фундаменте и экспериментальным значением в лотковых условиях не превышает 5 %, для усиленного фундамента — 5,1 %.

Предложенная методика была успешно применена на натурных объектах реконструкции и незавершенного строительства. В диссертации приведено сравнение расчетной несущей способности свай с результатами испытаний свай на трех объектах реконструкции в Санкт-Петербурге.

Один из рассмотренных объектов - объект незавершенного строительства- каркасное здание (рис. 6).

Фундаменты свайные из буронабивных свай длиной 18 и 19 м диаметром 0,56 м, изготовленные по технологии Рипс1ех. Ростверки под колонны объединяют кусты по 3,4 и 5 свай, под внутреннюю стену ленточный ростверк устроен по сваям, устроенным с шагом 4 м, под наружные стены - в виде монолитных ж/б балок, опирающихся на ростверки под колонны.

В 2007 году, до начала строительства здания, на площадке были выполнены предпроектные испытания грунтов 5-юбуронабивными сваями статической вдавливающей нагрузкой, а также контрольные испытания после устройства свайного поля.

За несущую способность принято минимальное значение 1450 кН. По результатам двух контрольных испытаний, нагрузка в которых была доведена до 1450 кН, осадки свай составили 14.89 мм и 5.02 мм.

Проектом реконструкции в 2012 году предусматривалось завершение строительства здания с частичной его надстройкой и изменением функционального назначения ряда помещений, что сопровождается изменением нагрузок на основание.

Рис. 6. Реконструируемое здание

Для оценки необходимости усиления фундаментов здания выполнены расчеты ожидаемой несущей способности свай, а также испытания свай в конструкции.

При испытании трех свай под существующими конструкциями в 2012 году максимальная нагрузка была доведена до 180 т, осадка свай № 1 и № 2 при этой нагрузке составила менее 5 мм (рис. 7).

20

40

60

Нагрузка на сваю, т 80 100 120

140

160

2 10 2

о 15

О 20

25

30

1

у

\

(

\

\

- N

р о тс )Г

<

ч < о >1 о 1 II ) о Г' V

/ \

ч N

1 N

\

ч

180

200

-Испытание сваи №1

-Испытание сваи №2

- Испытание сваи №3

Рис. 7. Результаты испытания буронабивных свай

Так же на рис. 7 представлены результаты испытания сваи № 3. Из рисунка видно, что график несколько отличается от выше приведенных наличием участка резкого увеличения осадки от вертикальных нагрузок, превышающих 1200 кН. Данную особенность можно объяснить тем, что, возможно, при устройстве свайного поля, ранее выполненные сваи получали выпор при изготовлении соседних свай, а затем были недогруженными при работе в конструкции.

Таким образом, величина несущей способности свай, испытанных после возведения сооружения, по результатам статических испытаний должна быть принята равной 1800 кН.

Результаты расчета прогнозируемого приращения несущей способности сваи по предложенной методике приведены в табличной форме в таблице.

Прогнозируемая несущая способность сваи 1697 кН меньше экспериментального значения 1800 кН, тем не менее, относительная разница не превышает 6 %.

Сравнение результатов расчета несущей способности свай других двух объектах в Санкт-Петербурге, на которых предполагалось увеличение нагрузки на фундаменты при реконструкции, с результатами испытания свай, вырезанных из ростверка, показали значение несущей способности меньшее, чем при испытаниях.

На одном объекте расчетное значение несущей способности составило 166 т, экспериментальное — более 200 т, на втором объекте при расчетном значении 54 т фактическое значение несущей способности более 100 т. Такая разница объясняется более сложным характером распределения нагрузок в основании, чем принято в расчетах для отдельного свайного куста, поскольку дополнительное давление вызывает не только рассматриваемый ростверк, но и система нагрузок, передаваемых от всего здания, что весьма проблематично учесть в расчетах.

Таблица

Результаты прогноза несушей способности

Наименование величины Значение

Несущая способность по СП, /"V, кН - в том числе по боковой поверхности, кН 1542 902

Прогнозируемое приращение несущей способности кН 155

Итоговая прогнозируемая несущая способность по результатам расчета - в том числе по боковой поверхности, кН 1697 1057

Приращение в % от несущей способности 10

Для показанного объекта незавершенного строительства расчетное значение несущей несущественно ниже экспериментального значения. Достаточно близкие теоретические и экспериментальные значения несущей способности объясняются относительно редким расположением колонн каркаса, что снижает их взаимное влияние.

Общие выводы

1. Одним из наиболее эффективных методов усиления фундаментов считается усиление сваями. В научно-технической литературе описаны эксперименты по распределению нагрузок между сваями и ростверком, однако для усиливаемых сваями фундаментов такие сведения практически отсутствуют. Описаны случаи испытания свай в составе свайных фундаментов, которые показали существенный рост несущей способности свай, работающих под нагрузкой. Фактическая несущая способность свай не была определена в связи с возможностью разрушения ростверка. Поэтому на сегодняшний день остаются достаточно актуальными вопросы, связанные с изучением закономерностей распределения нагрузок в системе «свая-ростверк-грунт» как для свайных фундаментов с низким ростверком, так и для фундаментов, усиливаемых сваями, а также с оценкой несущей способности свай в составе свайных фундаментов. В связи с технической сложностью, а иногда невозможностью проведения натурных исследований работы свай при усилении фундаментов, а также в составе фундаментов реально существующих зданий, экспериментальные исследования выполнены в лотковых условиях.

2. При усилении фундамента процесс включения свай в работу происходит иначе, чем в свайных фундаментах. В обоих случаях увеличение нагрузки на фундамент приводит к увеличению нагрузки, воспринимаемой сваями. При этом за-

висимость нагрузки, воспринимаемой сваями, растет практически по линейному закону во всем диапазоне прикладываемых нагрузок. В процентном соотношении доли нагрузки, воспринимаемой сваями, к нагрузке на фундамент работа свай различается. В усиленном фундаменте доля нагрузки, воспринимаемой сваями, постепенно увеличивается с нулевого значения, в свайном же фундаменте достигает пикового значения в момент приложения первых ступеней нагрузки, при дальнейшем нагружении фундамента уменьшается.

3. Экспериментами установлено, что несущая способность свай по мере на-гружения фундамента увеличивается как для усиливаемого, так и для свайного фундамента по сравнению с несущей способностью, определенной для одиночной сваи. Увеличение несущей способности свай связано с развитием напряжений в массиве грунта, увеличивающих сопротивление под нижним концом и по боковой поверхности сваи.

4. Разработана методика оценки распределения нагрузок между сваями и ростверком или усиливаемым фундаментом, основанная на предположении о том, что суммарная несущая способность фундамента складывается из несущей способности свай и несущей способности ростверка, а распределение нагрузок пропорционально соотношению несущей способности ростверка и свай. Разница между расчетной долей нагрузки, воспринимаемой сваями в свайном фундаменте, и экспериментальными значениями в лотковых условиях составила 4,8 %, для усиленного фундамента - 8,6 %. При оценке распределения нагрузок между сваей и ростверком по предложенной методике с результатами натурных экспериментов A.A. Бартоломея расхождение расчетов и экспериментальных значений составило 18,5 %.

5. Разработана методика оценки несущей способности свай, работающих в составе нагруженных конструкций, заключающаяся в предположении о том, что несущая способность сваи под нагрузкой увеличивается за счет дополнительных напряжений по боковой поверхности сваи, возникающих от нагрузок, передаваемых на основание ростверком. Разница между расчетной несущей способностью сваи в свайном фундаменте и экспериментальным значением в лотковых условиях не превышает 5 %, для усиленного фундамента- 5,1 %. Для реальных условий предложенная методика показала заниженное значение несущей способности по сравнению с экспериментальными значениями, что объясняется более сложным характером распределения нагрузок в основании, чем принято в расчетах для отдельного свайного куста, поскольку дополнительное давление вызывает не только рассматриваемый ростверк, но и система нагрузок, передаваемых от всего здания, что весьма проблематично учесть в расчетах. Для свай же каркасного здания с редким шагом колонн экспериментальное значение выше теоретического на 6 %.

6. Результаты экспериментов свидетельствуют о целесообразности использования при усилении относительно коротких свай, а также о целесообразности их использования в составе свайных фундаментах. Как в случае свайного, так и в случае усиливаемого фундамента, помимо увеличения несущей способности фундамента происходит существенное снижению осадки по сравнению с неуси-

ленным фундаментом. Это вывод подтверждается для участка нагружения, начиная со значения, соответствующего 1,5R, где R — расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента. При этом в диапазоне нагрузок от 1,5R до 2,5R осадки модели усиленного фундамента существенно ниже осадок модели свайного фундамента. Снижение осадки достигает 46 %. При нагрузках, близких к несущей способности свайного фундамента, осадки свайного и усиленного фундамента различаются уже не более чем на 8 %.

III. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ:

публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кравченко, П.А. Распределение нагрузок в свайно-плитных и усиливаемых фундаментах[Текст]/ П.А. Кравченко // Известия Петербургского Университета Путей Сообщения. СПб.: ПГУПС, 2012, Выпуск 3(32), С. 132-137. (0,78/0,78 п.л.).

2. Кравченко, П.А. Влияние длины свай на распределение нагрузок при лотковом моделировании усиления фундаментов [Текст] / A.A. Кабанов, П.А. Кравченко // Промышленное и Гражданское строительство. М.: ООО «Издательство ПГС», 2012 - №7, С. - 39-41. (0,74/0,50 пл.).

3. Кравченко, П.А. Эффект увеличения несущей способности свай усиления под нагрузкой[Текст] / П.А. Кравченко, В.Н. Парамонов // Известия высших учебных заведений. Строительство. Новосибирск: Изд-во НГАСУ (Сибстрин), 2012. -№7-8. - С. 117-121. (0,50/0,25п.л.).

4. Кравченко, П.А. Распределение нагрузок в свайно-плитных фундамента-х[Текст]/ В.Я. Смолак, П.А. Кравченко // Горный информационно-аналитический бюллетень. СПб, 2012. - №8. - 8 с. -(0,50/0,25 п.л.)

публикации в других изданиях:

5. Кравченко, П.А. Лотковое моделирование применения коротких свай в свайных фундаментах с низким ростверком[Текст]/ П.А. Кравченко // Строй-профиль. СПб, 2012.-№7 (98). -С. 8-10. (0,54/0,54 п.л.).

6. Kravchenko, Р. Oszacowanie rozkladu obci^zen na elementy foundamentu pfytowo-palowego na podstawie modelowania laboratoryjnego [Текст]/ P.Kravchenko, W.Smolak // Inzynieria morska i geotechnica, Wroclaw, Poland,

2012. -№4. -С. 423-426. (0,64/0,32п.л.)

7. Kravchenko, P. Rozklad obciqzenia na elementy fundamentu pfytowo-palowego posadowionego na podlozu slabonosnym [Текст]/ G. Kacprzak, P.Kravchenko, W.Smolak // Civil and environmental engineering. Bialystok, Poland,

2013. -№3. -vol. 4(2013). -C. 204-209. (0,87/0,29п.л.)

8. Kravchenko, P. Small-scale modeling of piles behavior in various types of foundations [Текст] / P. Kravchenko // Proceedings of International Geotechnical Symposium on Geotechnical Engineering for Disaster Prevention & Reduction, Environmentally Sustainable Development, Incheon, Republic of Korea. Incheon Green Environment center, Incheon, Republic of Korea 2013. -C. 255 - 260 (1,15/1,15 п.л.)

9. Kravchenko, P.A. Bearing Capacity of Piles in a "Soil-Pile-Structur" System [Текст] / V.N. Paramonov, P.A. Kravchenko // 18th international conference on soil mechanics and geotechnical engineering, Paris, France, 2013. -C. 214-219. (0,72/0,36 п.л.)

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 19.11.13. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ 171. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения»

04201454954

На правах рукописи

Кравченко Павел Александрович

ОЦЕНКА РАБОТЫ СВАЙ В СОСТАВЕ ФУНДАМЕНТОВ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные

сооружения.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Н. Парамонов

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1. УСЛИЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ СВАЯМИ. РАБОТА СВАЙ В СОСТАВЕ ФУНДАМЕНТОВ................................10

1.1. Усиление существующих фундаментов...................................................10

1.2. Несущая способность свай в ставе свайных фундаментов....................17

1.3. Распределение нагрузок в свайных фундаментах...................................27

1.4. Методы расчета усиления оснований существующих зданий...............31

1.6 Заключение по главе 1.................................................................................33

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................35

2.1 Определение физических характеристик грунтов...................................37

2.2 Испытания грунтов в вакуумном стабилометре.......................................37

2.3 Обоснование назначения размеров штампов для испытаний.................40

2.4. Определение нагрузочных параметров проведения эксперимента.......43

2.5. Определение несущей способности модели сваи в соответствии с СП45

2.6. Характеристики полноразмерных фундаментных конструкций...........46

2.7 Описание установки....................................................................................47

2.8. Тарировка оборудования, испытания моделей свай................................48

2.9. Штамповые испытания грунтов (серия I)................................................51

2.10. Заключение по главе 2..............................................................................54

3. МАЛОМАСШТАБНОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИ-РОВАНИЕ.......................55

3.1. Цели и задачи экспериментов....................................................................55

3.2. Модель эксперимента.................................................................................56

3.3. Испытания свай (Серия И).........................................................................59

3.4 Моделирование усиления фундамента (Серия III)...................................61

2

3.5. Моделирование свайного фундамента с низким ростверком (Серия IV) .............................................................................................................................67

3.6. Выводы по главе.........................................................................................74

4. ТОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАБОТЫ СВАЙ В СВАЙНОМ И УСИЛИВАЕМОМ ФУНДАМЕНТЕ........................................................................77

4.1 Оценка несущей способности сваи и распределения нагрузок между сваями и ростверком (усиливаемым фундаментом).......................................77

4.2 Влияние напряжений в массиве грунта на увеличение несущей способности сваи в составе свайного фундамента с низким ростверком ...80

4.3 Влияние напряжений в массиве грунта на несущую способность сваи в составе усиленного фундамента......................................................................87

4.4. Проверка возможности применения нормативных методов расчета осадок фундаментов к экспериментальным исследованиям........................89

4.5 Предлагаемая методика расчета осадки свайного и усиленного фундамента.........................................................................................................94

4.6. Моделирование лотковых экспериментов методом конечных элементов .............................................................................................................................99

4.7. Выводы по главе 4....................................................................................106

5 ОЦЕНКА РАБОТЫ СВАЙ В СОСТАВЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ......................................................................................108

5.1. Оценка нагрузок распределения нагрузок между сваями и ростверком по опытам А.А.Бартоломея.............................................................................108

5.2. Прогноз несущей способности свай под реконструируемым зданием ...........................................................................................................................110

5.3. Оценка увеличения несущей способности свай в составе свайных кустов................................................................................................................116

5.4. Оценка увеличения несущей способности свай в составе свайных

3

кустов на объекте незавершенного строительства.......................................124

5.5. Выводы по главе 5....................................................................................130

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................132

Список использованной литературы.....................................................................135

Приложение 1. Результаты лотковых экспериментов..........................................148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последнее время в Санкт-Петербурге широко распространена реконструкция исторических зданий с устройством мансард, надстройкой дополнительных этажей, заменой несущих конструкций и т.п. В процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений происходят деформации существующих несущих конструкций. Здания, возведенные на слабых грунтах, испытывают длительные неравномерные осадки, вызывающие деформации и даже разрушение элементов несущих конструкций.

На момент строительства памятников архитектуры и исторических зданий Санкт-Петербурга проектирование фундаментов велось без учета требований к несущей способности фундаментов, расчетное сопротивление грунтов так же не определялось. Основанием для принятий проектных решений служили результаты многолетнего опыта строительства.

В последние годы активизировался процесс гниения лежней и деревянных свай (Богов С.Г., 2003, Коновалов П.А., 2000, Лисюк М.Б., 2006, Мангушев P.A., 2011, Улицкий В.М., 2006, Шашкин А.Г., 2006 и др.). По мнению авторов работ, основной причиной возникновения данной проблемы является освоение подземного пространства и, как результат, изменение гидрогеологических условий Санкт-Петербурга.

В перечисленных выше случаях, как правило, требуется усиление оснований и фундаментов зданий. На сегодняшний день при усилении фундаментов исторических зданий Санкт-Петербурга широкое распространение получили различные свайные конструкции. В то же время анализ научно-технической литературы показывает, что вопросы распределения нагрузок между усиливаемыми фундаментами и сваями усиления изучены недостаточно. Недостаточно также изучены вопросы, связанные с работой свай в составе существующих свайных фундаментов в условиях увеличения нагрузок. В связи с этим тема диссертации является весьма актуальной.

Цель работы заключается в установлении закономерностей работы свай в системе «свая-ростверк-грунт» для фундаментов, усиливаемых сваями, в сравнении со свайными фундаментами с низким ростверком, разработка инженерной методики оценки несущей способности свай в составе фундаментов реконструируемых зданий.

Для достижения поставленных целей были намечены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ существующих исследований оценки распределения нагрузок между сваями для свайных фундаментов с низким ростверком (свайно-плитных фундаментов) и для фундаментов, усиленных сваями.

2. Разработать методику физического маломасштабного моделирования работы свай в различных фундаментных конструкциях. Провести экспериментальные исследования распределения нагрузок в исследуемых конструкциях и характера их работы.

3. Выполнить сравнительный анализ работы свай в различных условиях, выявить различия в характере распределения нагрузок в случаях свайных фундаментов с низким ростверком и усиливаемых фундаментов, определение величины нагрузки, передаваемой сваями на основание, и характера ее изменения при увеличении нагрузки на фундамент.

4. Исследовать влияние ростверка и усиливаемого фундамента на несущую способность свай.

5. Разработать инженерную методику расчета, позволяющую выполнить оценку величину нагрузки, передаваемых сваями на основание, в случае свайного фундамента с низким ростверком и фундамента, усиленного сваями.

6. Разработать инженерную методику расчета, позволяющую оценить эффект увеличения несущей способности свай под нагрузками от сооружения.

Методика исследования включала в себя:

1. Анализ имеющихся исследований работы свай в свайных фундаментных конструкциях.

2. Проведение маломасштабных экспериментов по физическому моделированию свайных фундаментных конструкций.

3. Математическое моделирование работы рассмотренных свайных фундаментных конструкций под нагрузкой с использованием МКЭ.

4. Сопоставление результатов расчетов по инженерным методикам, приведенным в нормативной литературе, с результатами физического и математического моделирования.

5. Разработка инженерной методики расчета свай в составе усиленных фундаментов.

6. Оценка несущей способности свай в составе фундаментов существующих зданий в натурных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выполнено теоретическое обоснование необходимости учета распределения нагрузок и увеличения несущей способности свай.

2. Установлены основные различия и закономерности распределения нагрузок в свайных фундаментах с низким ростверком и фундаментах, усиливаемых сваями.

3. Разработана методика оценки распределения нагрузок между сваями и ростверком или усиливаемым фундаментом.

4. Экспериментально установлен эффект увеличения несущей способности свай в составе фундаментов.

5. Разработана методика оценки несущей способности свай, работающих в составе нагруженных конструкций.

Практическое значение работы заключается в следующем:

> установлены закономерности совместной работы свай и ростверка или усиленного фундамента, определена доля нагрузки, передаваемой сваями на основание;

> выявлены существенные различия в совместной работе конструкций в случае усиленного фундамента и свайного фундамента с низким ростверком;

> разработана инженерная методика расчета свай усиления, что при проектировании позволит снизить стоимость реконструкции зданий за счет использования менее материалоемких фундаментных конструкций и снижения расходов на их устройство.

Достоверность теоретических решений и методов расчета обеспечивается:

> использованием апробированных научных методов при разработке физико-механической модели взаимодействия свайного фундамента с окружающим массивом грунта;

> комплексным характером исследований взаимодействия свайного и усиленного фундамента с грунтовым массивом;

> удовлетворительной повторяемостью экспериментов, выполнявшихся трехкратно для каждой схемы нагружения основания;

> подтверждением результатов расчетов, выполненных по предложенным инженерным методикам, с данными маломасштабного физического моделирования, полученными в результате лотковых экспериментов, и с натурными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на следующих научно-практических конференциях:

S Конференция молодых ученых «Шаг в будущее», Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения, 2011 г.

•S Конференция молодых ученых, Санкт-Петербургский Государственный Архитектурно-Строительный Университет, 2012 г.

S Конференция молодых ученых «Шаг в будущее», Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения, 2012 г.

•S Международная Геотехническая конференция «Baltic Piling Days 2012», Tallinn University Of Technology, 3-5 сентября 2012 г.

S 5th Polish conference of young geotechnicans, Polish Geotechnical Committee and Institute Geotechnics and Hydrotechnics of Wroclaw University of Technology 4-7 сентября 2012 г.

■S XXV Jubileuszowej konferencja naukowej «Metody komputerowe w projektowaniu i analizie konstrukcji hydrotechnicznych» Poiitechnika Krakowska -Instytut Geotechniki Zaklad Podstaw Konstrukcji Inzynierskich, 25-28 февраля 2013.

•S 5th International Geotechnical Symposium - Incheon, Republic of Korea 22-24 May 2013

•S 18th international conference on soil mechanics and geotechnical engineering, Paris, France, 4 September 2013

По результатам исследований опубликовано 9 статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 135 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 16 таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре Оснований и фундаментов Петербургского государственного университета путей сообщения. Работа соответствует паспорту специальности 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения», а именно п. 7 «Разработка новых методов расчета, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций», п. 10 «Разработка научных основ и основных принципов обеспечения безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и др.».

1. УСЛИЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ СВАЯМИ. РАБОТА СВАЙ В СОСТАВЕ ФУНДАМЕНТОВ

1.1. Усиление существующих фундаментов

Реконструкция существующих зданий, как правило, связана с решением одной из двух основных задач - приспособление существующего здания под современные нужды либо «спасение» здания. На сегодняшний день в Санкт-Петербурге плотность застройки центральной части города достаточно высока, при этом имеется большое количество зданий, являющихся памятниками архитектуры и находящихся под охраной КГИОП. Необходимость сохранения таких зданий является бесспорной, однако существующие объемно-планировочные решения, как правило, не отвечают современным функциональным нуждам. Строительные конструкции таких зданий часто оказываются существенно изношенными, грунты оснований под фундаментами перегруженными. Замена несущих наземных конструкций (перекрытий, покрытий) на современные в этом случае чаще всего невозможна без усиления основания и фундаментов.

Кроме того, в Санкт-Петербурге имеется большое количество зданий советского периода постройки. Как правило, техническое состояние наземных несущих конструкций таких зданий можно охарактеризовать как работоспособное, причем наземные несущие конструкции нередко способны воспринять существенные дополнительные нагрузки сверх фактически действующих нагрузок. Это позволяет выполнять надстройки дополнительных этажей, накрывать внутридомовые территории светопрозрачными конструкциями, передавая дополнительную нагрузку на существующие несущие конструкции. Такие здания, как правило, в грунтовых условиях Санкт-Петербурга возводились на свайных фундаментах. Обследование во многих

случаях показывает, что несущей способности свай, определенной по расчетным методикам современной нормативной документации либо по результатам статического зондирования, недостаточно для восприятия дополнительных нагрузок, запас по несущей способности фундаментов существенно ниже запаса несущей способности наземных конструкций, что приводит к необходимости усиления фундаментов в условиях реконструкции.

Также нередки случаи, связанные с неравномерными осадками зданий и сооружений в процессе их длительной эксплуатации эксплуатации. Связанные с этим проблемы отмечались учеными и инженерами на протяжении многих десятилетий. Такие деформации, как правило, служат основанием для проведения работ по усилению и реконструкции фундаментов зданий. К примеру, архитектор П.П. Покрышкин (Покрышкин П.П., 1906) отмечал в качестве причины образования дефектов строительных конструкций Спасско-Нередицкой церкви малую глубину заложения фундаментов.

Причины, приводящие к необходимости усиления фундаментов, на основании личного опыта и опыта различных организаций классифицировались многими отечественными учеными и инженерами (Б.И.Далматов, 1998, Р.А.Мангушев, 2011, В.М.Улицкий, 2006 и др.). Из перечня приведенных в научных публикациях причин можно сделать вывод о том, что для «спасения» исторических зданий и сооружений Санкт-Петербурга необходимость усиления фундаментов нередко обусловлена гниением деревянных фундаментных конструкций и разрушением бутовой кладки фундаментов.

На сегодняшний день практически по всей России в фундаментах исторических зданий встречаются деревянные конструкции (сваи, лежни и т.п.). При этом, например, П.П. Покрышкин в «Кратких советах по вопросам ремонта памятников старины и искусства» говорит о нецелесообразном использовании деревянных элементов фундаментных конструкций в отдельных случаях (церкви Киева, Архангельска, Новгорода) (Покрышкин П.П., 1915). Такое заключение П.П. Покрышкин делает по результатам обследований, выявивших в основании зданий прочные грунты.

Однако геологические условия Санкт-Петербурга, как правило, представлены слабыми грунтами.

Как отмечают геотехники Санкт-Петербурга (Мангушев Р.А., 2011; Улицкий В.М., Шашкин А.Г., 1999; Шепелев Н.П., Шумилов М.С., 2000), на сегодняшний день в условиях Санкт-Петербурга достаточно распространено применение традиционных методов усиления. Целью этих методов усиления является изменение характера передачи нагрузок от вышерасположенных конструкций на грунты основания. Исследованиям особенностей р�