автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Взаимодействие ленточных фундаментов реконструируемых зданий с глинистым грунтом основания при их усилении инъекционными сваями

На правах рукописи

Филиппович Анна Александровна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ С ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ ОСНОВАНИЯ ПРИ ИХ УСИЛЕНИИ ИНЪЕКЦИОННЫМИ

СВАЯМИ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

005554079

Волгоград - 2014

005554079

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Томском государственном архитектурно-строительном университете и в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кубанском государственном аграрном университете

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Полищук Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор

Парамонов Владимир Николаевич

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»

Евтушенко Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, директор государственного бюджетного образовательного учреждения среднего профессионального образования Ростовской области «Новочеркасский машиностроительный колледж»

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится « 16 » декабря 2014 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» и на сайте VAVw.vgasu.ru.

Автореферат разослан « 15» октября 2014 г.

V /

Ученый секретарь Акчурин

диссертационного совета: (У Г Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постоянный рост объемов реконструкции зданий, сооружений приводит к необходимости решения вопросов усиления фундаментов и совершенствования методов их расчета. При этом в последние годы широкое распространение получил способ усиления фундаментов мелкого заложения путем передачи части нагрузки от реконструируемого здания на инъекционные сваи1. Такие сваи можно устраивать в непосредственной близости от существующих усиливаемых фундаментов, практически не нарушая условий их эксплуатации. Однако до настоящего времени вопросы оценки совместной работы ленточных фундаментов и инъекционных свай, перераспределения нагрузок между ними, прогнозирования деформаций фундаментов реконструируемых зданий на глинистых грунтах после их усиления и другие исследованы пока недостаточно. Поэтому тема диссертационной работы о взаимодействии ленточных фундаментов реконструируемых зданий с глинистым грунтом основания при их усилении инъекционными сваями является актуальной.

Объект исследований - ленточный фундамент реконструируемого здания, усиливаемый примыкающими инъекционными сваями2.

Предмет исследования - взаимодействие ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай в глинистых грунтах при реконструкции (восстановлении) зданий.

Цель работы - совершенствование метода оценки совместной работы ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай, используемых для его усиления в глинистых грунтах при реконструкции и восстановлении зданий.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

¡.Обосновать применение конечно-элементных расчетных схем, разработанных на базе программного комплекса РЬАХК ЗБ, для моделирования работы в глинистых грунтах нагружаемых фундаментов мелкого заложения и свай, а также ленточных фундаментов после их усиления инъекционными сваями.

1 Под инъекционными понимаются сваи, устраиваемые нагнетанием бетонной смеси под давлением в предварительно подготовленные скважины с опрессовкой околосвайного грунта

2 Под примыкающими инъекционными понимаются сваи, устраиваемые в непосредственной близости от боковых поверхностей существующего фундамента

2. Оценить на основе моделирования в программном комплексе РЬАХ1Б ЗБ перераспределение внешней нагрузки между элементами комбинированного фундамента3 (ленточным фундаментом и примыкающими инъекционными сваями) в глинистых грунтах при различных его геометрических параметрах.

3. Усовершенствовать инженерный метод расчета конечной осадки комбинированного фундамента (ленточного фундамента после его усиления примыкающими инъекционными сваями) с момента после реконструкции здания на глинистых грунтах.

4. Разработать рекомендации по расчету комбинированных фундаментов в глинистых грунтах; выполнить опытно-промышленную апробацию результатов исследований при проектировании усиления фундаментов реконструируемых зданий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлено влияние ширины подошвы ленточного фундамента и длины инъекционных свай на перераспределение внешней нагрузки между элементами образованного комбинированного фундамента. Так, для ленточного фундамента с шириной подошвы 0,6 м изменение длины примыкающих инъекционных свай от 3 до 9 м (при диаметре до 0,3 м) приводит к повышению доли нагрузки, передаваемой на грунт основания сваями, с 39 % до 81 %. Для фундамента с шириной подошвы 2,1 м, при прочих равных условиях, с 9 % до 67 %.

2. Выявлено, что при нагружении комбинированного фундамента в однородном глинистом грунте возникает приращение осадки от взаимного влияния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента). С увеличением ширины подошвы ленточного фундамента от 0,6 м до 2,1 м, усиленного инъекционными сваями (длина свай 3 - 9 м, диаметр до 0,3 м), приращение осадки комбинированного фундамента увеличивается до 3,0 раз, при равной длине свай и одинаковом давлении по подошве ленточного фундамента.

3. Усовершенствован инженерный метод расчета конечной осадки комбинированного фундамента (ленточного фундамента после его усиления примыкающими инъекционными сваями) с момента после реконструкции здания на глинистых грунтах, который учитывает

3 Далее по тексту комбинированным называется ленточный фундамент после его усиления примыкающими инъещионными сваями

приращение осадки от взаимного влияния его конструктивных элементов.

Практическое значение работы и ее использование:

1. Практическое значение работы состоит в том, что предлагаемый метод оценки совместной работы ленточных фундаментов и примыкающих инъекционных свай в глинистых грунтах повышает надежность технических решений усиления фундаментов реконструируемых зданий. Предложены новые конструктивные решения усиления фундаментов и узлов их сопряжения с инъекционными сваями, патентная новизна которых подтверждена тремя патентами РФ на полезную модель.

2. Результаты исследований использованы:

- при разработке проектной документации по усилению фундаментов реконструируемых зданий в г. Томске: здание учебного корпуса № 9 ТГАСУ по ул. Р. Люксембург, 13 (Заказчик - Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2008 г.); здание цеха первичной переработки скота (Заказчик - ЗАО «Сибирская Аграрная Группа Мясопереработка», 2013 г.);

- в Томском государственном архитектурно-строительном университете (ТГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 - «Промышленное и гражданское строительство», а также при чтении лекций для студентов, магистрантов и аспирантов строительного факультета ТГАСУ в 2010 - 2014 гг.

Достоверность сформулированных в работе научных положений и выводов обеспечена:

1. Использованием для теоретических исследований и моделирования работы фундаментов, верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре.

2. Сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований в натурных условиях работы моделей фундаментов и свай, анализом и обобщением полученных данных.

3. Объемом проведенных исследований, обеспечивающим возможность статистического анализа результатов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты сопоставления натурных экспериментальных исследований распределения напряжений, перемещений в глинистых грунтах в основании моделей фундаментов мелкого заложения и свай (выполненных другими авторами) с результатами моделирования и теоретических исследований (выполненных автором диссертации).

2. Результаты исследований перераспределения внешней нагрузки между элементами комбинированного фундамента (ленточного фундамента после его усиления примыкающими инъекционными сваями) в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий.

3. Результаты исследований деформаций (перемещений) глинистого грунта в основании комбинированного фундамента, возникающих от взаимного влияния его конструктивных элементов (ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай).

4. Рекомендации по расчету и конструированию комбинированных фундаментов в глинистых грунтах для реконструируемых зданий; результаты практического использования диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 65-й, 66-й научно-технических конференциях «Актуальные проблемы строительной отрасли» в НГАСУ (г. Новосибирск, 2008 -

2009 гг.); на научной конференции по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Международный год планеты земля: проблемы геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» в ТГАСУ (г. Томск, 2008 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях западной Сибири» в ТюмГАСУ (г. Тюмень,

2010 г.); на VI Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» в НГАСУ (г. Новосибирск, 2013 г.) и научных семинарах кафедры «Основания, фундаменты и испытания сооружений» ТГАСУ (г.Томск, 2008 и 2010 - 2014 гг.); Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (г. Пермь, 2014 г.). В полном объеме работа доложена на кафедральных семинарах ТГАСУ (г. Томск, 2014 г.), КубГАУ (г. Краснодар, 2014 г.).

Личный вклад автора состоит:

-в установлении влияния геометрических параметров комбинированного фундамента на перераспределение внешней нагрузки между его элементами (ленточным фундаментом и примыкающими инъекционными сваями);

-в установлении зависимостей приращения осадки комбинированного фундамента на глинистых грунтах от взаимного влияния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента);

-в совершенствовании инженерного метода расчета конечной осадки комбинированного фундамента (ленточного после его усиления примыкающими инъекционными сваями) на глинистых грунтах с момента после реконструкции здания;

-в разработке конструктивных решений усиления фундаментов, узлов сопряжения инъекционных свай и фундаментов, защищенных тремя патентами РФ на полезные модели.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двенадцать научных работ, в том числе три патента РФ на полезную модель, пять статей в журналах входящих в перечень изданий ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 179 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 142 наименований и пяти приложений. Содержит 115 страниц текста, 13 таблиц и 66 рисунков.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, Заслуженному строителю РФ, д-ру техн. наук, проф. А.И. Полищуку за постоянную поддержку, консультации и внимание к работе. Автор выражает признательность к-ту техн. наук, доц. Д.Г. Самарину и к-ту техн. наук, доц. С.П. Осииову за консультации по теме исследований. Диссертант признательна всем сотрудникам кафедр «Основания, фундаменты и испытания сооружений» ТГАСУ и «Основания и фундаменты» КубГАУ за внимание к работе и поддержку выбранного направления исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, изложены научная новизна и практическая значимость диссертации, приведены личный вклад автора, основные защищаемые положения и сведения об апробации работы.

В первой главе выполнен обзор исследований о применении инъекционных свай для усиления фундаментов реконструируемых зданий. В настоящее время существует большое разнообразие видов инъекционных свай и способов их устройства. Специалистами Томского государственного архитектурно-строительного университета и других организаций был разработан эффективный способ устройства инъекционных свай (2003 - 2009 гг.), который получил эксперимен-

тальное обоснование и практическое применение при усилении фундаментов реконструируемых зданий. По данному способу сначала вдавливается инъектор в глинистый грунт с образованием скважины. Затем формируется ствол сваи путем подачи бетонной смеси под давлением с последующей его опрессовкой. Рассматриваемый способ устройства инъекционных свай является вполне доступным для строительства и реконструкции зданий в городских условиях. В главе рассмотрены основные способы усиления фундаментов реконструируемых зданий путем передачи части нагрузки на инъекционные сваи, а также основные положения по их расчету.

Вопросам усиления фундаментов зданий с использованием свай и оценке их совместной работы посвящены исследования Абеле-ва М.Ю., Алексеева С.И., Бартоломея A.A., Богомолова А.Н., Брони-на В.Н., Быкова В.И., Винникова Ю.Л., Готмана А.Л., Далматова Б.И., Джантимирова Х.А., Дорошкевич Н.М., Ильичева В.А., Карлова В.Д., Коновалова П.А, Маковецкого O.A., Мангушева P.A., Мирсаяпо-ва И.Т., Никитенко М.И., Никифоровой Н.С., НуждинаЛ.В., Осоки-наА.И., Парамонова В.Н., Петухова A.A., Пилягина A.B., Пономарева А.Б., Полищука А.И., Савинова A.B., Самарина Д.Г., Скибина Г.М., Сорочана Е.А., Тер-Мартиросяна З.Г., Улицкого В.М., УховаС.Б., Шашкина А.Г., Шалгинова Р.В., Швеца В.Б., Шулятьева O.A. и др.

Обобщение литературных источников показало, что до настоящего времени вопросы оценки совместной работы ленточных фундаментов и инъекционных свай, перераспределения нагрузок между ними, прогнозирования осадок фундаментов реконструируемых зданий на глинистых грунтах изучены недостаточно. На основании анализа опубликованных работ были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты сопоставления натурных экспериментальных исследований распределения напряжений, перемещений в основании моделей фундаментов и свай, а также результаты исследований работы (несущей способности) инъекционных свай, с данными моделирования в программном комплексе (ПК) PLAXIS 3D. Результаты натурных экспериментов принимались по материалам, опубликованных в работах А.И. Полищука и др. (2007 -2011 гг.) и C.B. Ющубе и др. (1980 г.).

Моделирование работы фундаментов мелкого заложения и свай (оценка напряженного состояния основания, оценка поведения при

увеличении нагрузок и др.) проводилось на глинистых грунтах с использованием моделей (фундаментов и свай), соответствующих реальным условиям натурных экспериментов. Для моделирования поведения глинистых грунтов применялась упруго-пластическая модель Кулона-Мора, а для материала фундамента и свай — линейно-упругая модель.

Натурные экспериментальные исследования с моделями фундаментов мелкого заложения были выполнены на однородных лессовых суглинках природной влажности. В качестве моделей использовались жесткие круглые фундаменты-штампы площадью 10000 см2, при этом замерялись контактные давления по подошве, напряжения и перемещения в основании.

Грунты в основании моделей фундаментов (лессовые суглинки природной влажности) имели следующие физико-механические характеристики: естественная влажность W= 13,8%; плотность грунта р = 1,7 г/см3; плотность частиц грунта р.у = 2,71 г/см3; плотность сухого грунта р£/= 1,5 г/см3; коэффициент пористости е = 0,79; коэффициент водонасыщения Sr = 0,47...0,5; число пластичности 1Р = 13,5%; показатель текучести /¿ = 0...0,18; угол внутреннего трения ф = 24 град.; удельное сцепление с = 25 кПа; штамповый модуль деформации Е = 9,7 МПа.

По результатам измерений были построены эпюры контактных давлений по подошве фундаментов-штампов и эпюры вертикальных напряжений, перемещений в основании. Сопоставление результатов с данными моделирования показало, что для глинистых грунтов природной влажности при давлении р по подошве до 200 кПа, которое не превышает расчетного сопротивления грунта основания R (р< R), контактные давления, вертикальные напряжения и перемещения в основании фундаментов-штампов можно моделировать с достаточной для инженерных расчетов точностью (10-30%), используя ПК PLAXIS 3D с упруго-пластической моделью Кулона-Мора.

Натурные экспериментальные исследования с моделями готовых свай (C.B. Ющубе и др. 1980 г.) были выполнены на опытной площадке, сложенной однородным глинистым грунтом (супесь пластичная, г. Ачинск). В качестве моделей использовались железобетонные призматические сваи сечением 30 х 30 см и длиной 4 м. В опытах замерялись вертикальные напряжения в основании нижнего конца сваи в радиальном направлении от ее оси.

Опытная площадка до глубины 6 м имела следующие физико-механические характеристики: плотность грунта р = 1,65 г/см3; плот-

ность частиц грунта р^ = 2,70 г/см3; число пластичности 1Р = 7 %; показатель текучести IL = 0,6; угол внутреннего трения ср = 18 - 20 град.; удельное сцепление с = 20 кПа; модуль деформации Е = 4,0 МПа.

В экспериментах были получены результаты распределения вертикальных напряжений в основании при внешней нагрузке на сваю Р= 110кН. Сопоставление показало, что для глинистых грунтов (супесь пластичная) при нагрузке на сваю 110 кН, значение которой было меньше предельной, вертикальные напряжения в основании ниже острия сваи можно также моделировать с достаточной точностью (10 - 30%), используя ПК PLAXIS 3D с упруго-пластической моделью грунта Кулона-Мора.

Натурные экспериментальные исследования с инъекционными сваями (А.И. Полищук и др., 2008 - 2010 гг.) были выполнены на площадке в подвальном помещении реконструируемого здания. В экспериментах испытывались натурные инъекционные сваи статической вдавливающей нагрузкой, которые затем использовались как элемент усиления фундаментов. Основание фундаментов, до глубины 12м от отметки пола подвала, было сложено глинистыми грунтами, представленными супесью песчанистой различного состояния. Сверху, до глубины 3,2-3,4 м, залегала супесь пластичная, имеющая: плотность грунта р = 2,03 г/см3; плотность частиц грунта Pí= 2,69 г/см3; число пластичности Ip ~ 6,2 %; показатель текучести /¿ = 0,53; угол внутреннего трения ср = 23 град.; удельное сцепление с = 27 кПа; модуль деформации Е = 6,0 МПа. Ниже залегала супесь текучая, имеющая: плотность грунта р = 2,02 г/см3; плотность частиц грунта р5 = 2,67 г/см3; число пластичности 1Р = 4,2 %; показатель текучести IL > 1,0; угол внутреннего трения ср = 22 град.; удельное сцепление с = 6 кПа; модуль деформации Е = 4,0 МПа. Уровень подземных вод встречен на глубине 3,2 - 3,4 м от поверхности земли.

По результатам статических испытаний натурных инъекционных свай установлена их несущая способность, которая изменялась в пределах Fd = 158 - 168 кН. При моделировании нагружения инъекционных свай в ПК PLAXIS 3D была выявлена их несущая способность, равная Fd= 149 кН. Сопоставление показало, что ПК PLAXIS 3D позволяет моделировать поведение (нагружение) инъекционных свай в глинистых грунтах с точностью 15 - 25 %.

В рассматриваемой главе на основании сопоставления результатов экспериментальных и теоретических исследований, показана возможность применения разработанных на базе программного комплекса PLAXIS 3D конечно-элементных расчетных схем для моделирова-

Рис. 1 Конечно-элементные расчетные схемы для моделирования системы «ленточный фундамент - инъекционные сваи — грунт основания»:

а- схема нагружения ленточного фундамента; б — схема нагружения комбинированного фундамента (ленточный фундамент и инъекционные сваи); в - схема нагружения инъекционных свай. 1 — грунтовый массив; 2 — ленточный фундамент; 3- инъекционные сваи; 4 -балка

ния работы в глинистых грунтах нагружаемых фундаментов мелкого заложения и свай, а также ленточных фундаментов, усиленных инъекционными сваями.

В третьей главе приведены результаты исследований совместной работы ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай, используемых для его усиления в глинистом грунте. Моделирование выполнялось на базе ПК РЬАХ18 ЗЭ. Для этого была создана расчетная система «ленточный фундамент - инъекционные сваи -грунт основания» и разработаны расчетные схемы (рис. 1).

Исследования проводились при следующих геометрических параметрах комбинированного фундамента: ширина подошвы фундамента (¿лф, м) изменялась от 0,6 до 2,1 м; длина инъекционных свай (£св, м) от 3 до 12 м; диаметр сваи (¿4В, м) принимался равным ОД; 0,2; 0,3 м. Общая нагрузка на комбинированный фундамент (А^бщ), характеризующая его нагружение до и после реконструкции здания, обеспечивала заданное давление (р„ф, кПа) на основание. Нагрузка принималась сосредоточенной на участках длиной 1 погонный метр (п.м.). Усиление ленточного фундамента выполнялось на этапе, когда давление по его подошве рлф становилось больше расчетного сопротивления грунта основания Я (рлф > Я).

Грунты основания, в пределах глубины до 15 м, были сложены однородными суглинками мягкопластичной консистенции. Были рассмотрены три случая: 1). Плотность грунта р = 1,7 г/см3; плотность частиц грунта р.5 = 2,71 г/см3; коэффициент пористости е = 1,05; угол внутреннего трения ср = 12 град.; удельное сцепление с = 12 кПа, модуль деформации грунта Е = 5 МПа. 2). Плотность грунта р = 1,8 г/см3; плотность частиц грунта р., = 2,71 г/см3; коэффициент пористости е = 0,85; угол внутреннего трения ср = 16 град.; удельное сцепление с = 16 кПа, модуль деформации грунта £=10 МПа. 3). Плотность грунта р = 1,9 г/см3; плотность частиц грунта рл = 2,71 г/см3; коэффициент пористости е = 0,65; угол внутреннего трения ф = 19 град.; удельное сцепление с = 25 кПа, модуль деформации грунта Е= 15 МПа.

В моделируемом основании комбинированного фундамента были выделены уплотненные зоны грунта вокруг инъекционных свай, в которых характеристики грунта принимались с учетом его уплотнения.

Моделированием установлено, что при усилении ленточного фундамента примыкающими инъекционными сваями в глинистом грунте происходит перераспределение общей нагрузки ТУобщ между элементами образованного комбинированного фундамента. На процесс перераспределения оказывает влияние длина свай и ширина подошвы фундамента. Так, например, для фундамента с шириной подошвы Ь„ф = 0,6 м доля нагрузки, передаваемой на грунт инъекционными сваями при их длине Ьсп = 3 м (диаметре 0,2 м), составляет 38 %, а при длине свай ¿св = 9 м составляет 73 %. Если же рассматривается ленточный фундамент с шириной подошвы Ьлф = 2,1 м, то доля нагрузки, передаваемой на грунт инъекционными сваями при их длине Ьсв = 3 м (диаметре 0,2 м) составляет 8%, а при длине Ьсв = 9 м составляет 54% (рис. 2).

0 3 б 9 121св, м

Рис. 2. Данные моделирования перераспределения нагрузки в системе «ленточный фундамент - инъекционные сваи -грунт основания»:

Ав ~ доля нагрузки, передаваемая на грунт инъекционными сваями, %.; Ьсв — длина сваи, м; Ь„ф — ширина подошвы ленточного фундамента, м

На основании результатов исследований были получены уравнения, которые позволяют оценивать доли нагрузок, передаваемые на грунт элементами комбинированного фундамента, в зависимости от их геометрических параметров (ширины подошвы фундамента, длины и диаметра свай):

Рус = + у- + «зРлф + У1 + 7Г + а6Р2пф (3.1)

св св св

где рус - давление по подошве ленточного фундамента после его усиления, кПа; аь а2, а3 ... аб-значения параметров аппроксимации, которые приведены в диссертации автора; рлф - давление по подошве ленточного фундамента до его усиления, кПа; Ьсв - длина инъекционной сваи, м;

Доля нагрузки Д,ф (%), передаваемая на грунт ленточным фундаментом мелкого заложения, определяется выражением:

Аф = (рУо ' ЮО %) /рлф, (3.2)

Доля нагрузки £>св (%), передаваемая на грунт инъекционными сваями, будет равна:

Дв= 100%-Д1ф, (3.3)

где Рус,Рлф ~ то же, что и в формуле (3.1).

Усилие ТУсв (кН), приходящееся на одну инъекционную сваю (участок фундамента длиной 1 п.м.), составит:

^ = 0,01(2^-Ав)/2, (3.4)

где - суммарная нагрузка, действующая на рассматриваемый фундамент в уровне его подошвы, кН/п.м.

Тогда, часть нагрузки (кН/п.м.), приходящаяся на 1 п.м. ленточного фундамента после его усиления, составит:

^Лф = ^общ-Л^св, (3.5)

Для разработки инженерного метода расчета конечной осадки комбинированного фундамента реконструируемого здания проводилось моделирование его работы в глинистых грунтах. Расчеты конечных осадок выполнялись при различных геометрических параметрах конструктивных элементов и этапах нагружения. В результате были построены графики осадок ленточного и комбинированного фундаментов на глинистых грунтах (рис. 3).

Графики (рис. 3) показывают эффективность работы комбинированного фундамента в глинистом грунте. Так, в случае усиления ленточного фундамента шириной Ьлф = 0,6 м примыкающими инъекционными сваями длиной Ьсв = 9 м, диаметром й?св = 0,2 м и при обес-

Нагрузка

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 №>бщ, кН

Рис. 3. Графики осадок ленточного и комбинированного фундаментов:

1 - осадка ленточного фундамента с шириной подошвы Ьяф = 0,6 м;

2 - осадка комбинированного фундамента при Ьлф = 0,6 м с примыкающими инъекционными сваями (¿св = 9 м; с/св = 0,2 м);

М,бщ- общая нагрузка на фундаменты (ленточный, комбинированный) на участке длиной 1 п.м.

печении после его усиления условия рус<К, передаваемая на грунт комбинированным фундаментом нагрузка (7У0бщ = 320 - 330 кН/м) будет в 1,5-2,0 раза больше по сравнению с нагрузкой на основание ленточного фундамента (Л^бщ = 120 кН/м) до его усиления.

Для комбинированного фундамента моделировалась также его работа в виде единой конструктивной системы (ленточный фундамент и примыкающие сваи сопряжены) и в виде системы из отдельных конструктивных элементов (сопряжение отсутствовало). Это делалось для проверки равенства осадок этих двух систем. Общая нагрузка Л^бщ, на комбинированный фундамент была суммарной и складывалась из отдельных нагрузок, действующих на его конструктивные элементы (Л/общ = Л,„ф + 2-А/св)- Сопоставление осадок комбинированного фундамента как единой системы и осадок системы из отдельных конструктивных элементов показало их совпадение, погрешность не превышает 10-15 %.

Конечную осадку 5 ленточного фундамента, усиленного инъекционными сваями, за весь период эксплуатации здания предлагается определять из выражения:

(3.6)

где 5лф - осадка ленточного фундамента до его усиления (до реконструкции здания), см; 5ус- осадка комбинированного фундамента

(ленточного фундамента после его усиления) с момента после реконструкции здания, см.

Осадка ленточного фундамента до его усиления £лф (до реконструкции здания) может определяться экспериментально, либо расчетом, например методом послойного суммирования.

Осадка (конечная) комбинированного фундамента Syc с момента после реконструкции здания определяется из условия:

SyC = SCB + Sad + ASBB, (3.7)

где SCB — осадка одиночной инъекционной сваи, см; ¿w - осадка сваи от влияния близко расположенных одиночных свай (групповой эффект свай), см; ASBB - приращение осадки комбинированного фундамента от взаимного влияния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента), см.

Осадка одиночной примыкающей инъекционной сваи (5СВ) определяется известным методом (например, по СП. 24.1330.2011 - актуализированная редакция СНиП 2.02.03 - 85). При этом, если таких свай устраивается более двух, то дополнительно рекомендуется учитывать и влияние группового эффекта на осадку рассматриваемой сваи близко расположенных свай (¿w).

Для определения приращения осадки комбинированного фундамента (AíSbb) в диссертации рассматривались различные случаи его нагружения в ПК PL AXIS 3D. Расчеты показали, что осадка примыкающих инъекционных свай (длиной LCB = 3 - 9 м) комбинированного фундамента (с шириной подошвы ¿лф = 0,6 - 2,1 м) изменяется в пределах от 1,2 до 3,4 см, а осадка отдельных инъекционных свай, без их сопряжения с фундаментом, в пределах от 0,9 до 2,1 см (рис. 4). Осадки примыкающих свай примерно на 25 - 40% больше осадок отдельных свай. Превышение осадок комбинированного фундамента можно объяснить влиянием давления по его подошве и большей площадью его опирания на грунт. Увеличение осадки примыкающих инъекционных свай свидетельствует о взаимном влиянии конструктивных элементов комбинированного фундамента.

Выполненные исследования позволили установить зависимости, показывающие влияние конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента) на приращение осадки комбинированного фундамента ASBB. Поскольку параметр ДSBB является опре-

Рис. 4. Результаты моделирования нагружения инъекционных свай: 1 - осадка примыкающих свай комбинированного фундамента; 2 -осадка отдельных инъекционных свай без учета их совместной работы с ленточным фундаментом; 7/св— нагрузка на инъекционную сваю; Л£вв- приращение осадки комбинированного фундамента (приращение осадки примыкающих свай комбинированного фундамента при Ь„ф = 2,1 м; 1СВ = 6 м; ¿св = 0,2 м)

нечной осадки ленточного фундамента после его усиления 5ус (см. формулу 3.7), то полученные закономерности будут справедливы в целом для комбинированного фундамента.

Было установлено, что при увеличении длины свай £св приращение осадки комбинированного фундамента Д^в, от взаимного влияния его конструктивных элементов уменьшается (рис. 5). Например, при длине инъекционных свай £св = 3 м (й?св = 0,2 м) и ширине подошвы фундамента 6лф = 2,1м, приращение осадки Д£вв примерно в 2,7 раза больше (Д£вв = 2,5 см), чем при Ьлф = 0,6 м (Д5ВВ = 0,9 см), при одинаковом давлении по их подошве рус = 200 кПа. По результатам исследований были также выявлены данные о влиянии модуля деформации грунта на приращение осадки Дб^, при следующих параметрах:

деляющим при формировании ко-

Д5вв, см

Рис. 5. Приращение осадки комбинированного фундамента Д5ВВ в зависимости от длины свай £св и ширины подошвы фундамента 6лф: а^в= 0.2 м - диаметр сваи

Д5вв, см

Рис. б. Приращение осадки комбинированного фундамента Д>!>вв в зависимости от длины свай Ьсв и модуля деформации грунта Е: с1св = 0,2 м - диаметр сваи

давление по подошве фундамента рус = 200 кПа; ширина фундамента ¿Лф = 1,2 м; диаметр свай с1се = 0,2 м. Из графиков видно, что с увеличением модуля деформации грунта Д£вв снижается (рис. 6). Так, например, при длине свай Ьсв = 3 м увеличение модуля деформации грунта с 5 МПа до 15 МПа приводит к снижению Д5ВВ примерно в 3 раза.

Результаты моделирования работы комбинированного фундамента в глинистых грунтах (рис. 5, б и др.), были обобщены и проанализированы. На основании аппроксимации полученных данных составлено уравнение (3.9), которое позволяет определять приращение осадки комбинированного фундамента Д5ВВ от взаимного влияния его конструктивных элементов:

+ [р0+РгРус +Р2-6лф+ Рзфус2+Р4'6лф2+ Рз'РусЛф] (3.9)

где \|/2> Уз-.-Ч^ и р0, рь р3 ... р5 - параметры аппроксимации, значения которых приведены в диссертации; рус -давление по подошве ленточного фундамента после его усиления примыкающими инъекционными сваями, кПа; Ьсв - длина инъекционной сваи, м; Ьлф - ширина подошвы ленточного фундамента, м;

Таким образом, на основании выполненных исследований усовершенствован инженерный метод расчета конечной осадки комбинированного фундамента в глинистом грунте в условиях реконструкции зданий.

Четвертая глава посвящена практическому использованию результатов исследований. Приводятся рекомендации по расчету и конструированию комбинированных фундаментов в глинистых грунтах для реконструируемых зданий. Даются практические примеры расчета и конструирования усиления ленточных фундаментов гражданских зданий и результаты их внедрения в г. Томске.

В разработанных рекомендациях приведен раздел по расчету конечной осадки комбинированных фундаментов (ленточных после их усиления примыкающими инъекционными сваями) с момента после реконструкции здания. Последовательность расчета заключается в следующем:

1. Выполняется оценка инженерно-геологических условий строительной площадки реконструируемого здания (с использованием архивных материалов изысканий);

2. Анализируются материалы обследования фундаментов (включая грунты основания), надземных строительных конструкций реконструируемого здания и уточняется оценка их технического состояния. Изучаются документы проектной и исполнительной документации по объекту.

3. Выполняются поверочные расчеты основания и фундаментов существующего здания на нагрузки (усилия), действующие до и после его реконструкции. При необходимости определяются нагрузки (усилия) на фундаменты и их сочетания.

4. Назначаются конструктивно предварительные геометрические параметры примыкающих инъекционных свай (диаметр сваи dcs, длина сваи LCB);

5. Выполняется оценка загружения ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай на нагрузки, действующие после реконструкции здания:

5.1. Определяется давление рус по подошве фундамента после его усиления при помощи уравнения (3.1).

5.2. Определяется доля нагрузки Д1ф (%), N.^ (кН) по уравнениям (3.2) и (3.5), передаваемая на грунт основания ленточным фундаментом.

5.3. Определяется доля нагрузки DCB (%), NCB (кН) по уравнениям (3.3) и (3.4), передаваемая на грунт инъекционными сваями.

6. Определяется несущая способность Fd инъекционной сваи в глинистом грунте с учетом его радиального уплотнения вокруг ствола. 7. Выполняется проверка условия:

NCB<Fd/y, (3.10)

Если условие (3.10) не выполняется, то изменяются геометрические параметры примыкающих инъекционных свай и расчет повторяют.

8. Определяется по (3.6) конечная осадка S ленточного фундамента, усиленного инъекционными, за весь период эксплуатации здания.

8.1. Определяется осадка ленточного фундамента до его усиления (до реконструкции здания) известными методами, например методом послойного суммирования и др.

8.2. Определяется по (3.7) конечная осадка комбинированного фундамента Syc с момента после реконструкции здания. Для этого:

8.2.1. Определяется осадка одиночной инъекционной сваи SCB известными методами (например, по СНиП 2.02.03-85 -актуализированная редакция).

8.2.2. Определяется осадка сваи Sad от влияния близко расположенных одиночных свай (групповой эффект свай).

8.2.3. Определяется по (3.9) приращение осадки комбинированного фундамента ASBB от взаимного влияния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента).

9. Проверяются условия:

SyC<SyCiU (3.11)

S = S^+Syc<Su, (3.12)

S<SU (3.13)

< SyCfU - предельно допустимая осадка фундаментов реконструируемых сооружений, см;

— предельно допустимая осадка фундаментов здания после его реконструкции за весь период эксплуатации, см;

< Su - предельно допустимая неравномерность деформаций ленточного комбинированного фундамента после реконструкции здания, д.е.

Результаты диссертационной работы внедрены в г. Томске при усилении фундаментов реконструируемых зданий (учебный корпус № 9 ТГАСУ и здание цеха первичной переработки скота ЗАО «Аграрная группа МП»), Необходимость усиления фундаментов была вызвана надстройкой дополнительных этажей в сложных грунтовых условиях. Разработанная документация и подготовленные решения приняты к исполнению заказчиками. Справки о внедрении результатов диссертационной работы приведены в приложениях диссертации.

Для дальнейшего развития темы диссертационной работы разработаны и защищены три патента РФ на полезные модели (конструктивные решения усиления фундаментов, узлы сопряжения инъекционных свай и фундаментов и др.), материалы которых могут с успехом использоваться в условиях реконструкции и восстановления зданий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Сопоставление результатов экспериментальных исследований распределения напряжений и перемещений в глинистых грунтах природной влажности в основании жестких фундаментов-штампов и готовых свай с данными моделирования на ПК PLAXIS 3D показало, что различие в их значениях не превышает 10-30 % при заданном интервале нагрузок. Это дает основание использовать разработанные на базе ПК PLAXIS 3D конечно-элементные расчетные схемы для

моделирования работы в глинистых грунтах нагружаемых фундаментов мелкого заложения и свай, а также работы ленточных фундаментов при их усилении инъекционными сваями.

2. Выявлено, что при усилении ленточных фундаментов примыкающими инъекционными сваями в глинистых грунтах происходит перераспределение внешней нагрузки между элементами образованного комбинированного фундамента. Так, в случае усиления ленточного фундамента с шириной подошвы 0,6 м, при увеличении длины свай от 3 до 9 м (диаметра до 0,3 м) доля нагрузки, передаваемая на грунт сваями возрастает от 39 до 81 %. В целом, с ростом внешней нагрузки на комбинированный фундамент, ее доля, передаваемая на глинистый грунт сваями, увеличивается до 1,7 раза при одинаковых геометрических параметрах комбинированного фундамента.

3. Установлено, что с увеличением ширины подошвы ленточного фундамента при заданном давлении по подошве до его усиления примыкающими инъекционными сваями, доля нагрузки, передаваемой на грунт сваями, снижается. Например, при ширине подошвы фундамента 0,6 м доля нагрузки, передаваемой на грунт основания сваями длиной 3 м (при диаметре с?св = 0,2 м), составляет 39 %, а при ширине подошвы фундамента 6лф = 2,1 м снижется до 7 % (при равном давлении по подошве фундамента до его усиления).

4. На основании результатов теоретических исследований о взаимодействии комбинированного фундамента (ленточного фундамента после его усиления примыкающими инъекционными сваями) с глинистым грунтом основания в условиях реконструкции зданий получены уравнения, которые позволяют определять доли нагрузок передаваемых на грунт основания подошвой ленточного фундамента и инъекционными сваями, при их совместной работе. Получено также уравнение, позволяющее определять приращение осадки Д&в от взаимовлияния ленточного фундамента и примыкающих инъекционных свай.

5. Выявлено, что при нагружении комбинированного фундамента в глинистом грунте, возникает приращение осадки А^вв от взаимного влияния его конструктивных элементов (инъекционных свай и ленточного фундамента). При увеличении длины свай приращение осадки от взаимного влияния снижается до 2,6 раз, в зависимости от давления по подошве ленточного фундамента. С увеличением ширины фундамента от 0,6 м до 2,1 м приращение осадки от взаимного влияния увеличивается до 3,0 раз при равной длине свай и давлении по подошве ленточного фундамента.

6. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований усовершенствован инженерный метод расчета конечной осадки комбинированного фундамента с момента после реконструкции здания в однородных глинистых грунтах. Разработаны рекомендации по расчету и конструированию комбинированных фундаментов в глинистых грунтах.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Полищук, А. И. Результаты моделирования процессов взаимодействия фундаментов с глинистым грунтом основания [Текст] / А. И. Полищук, Д. Г. Самарин, А. А. Филиппович // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 1.-С. 253-259.

2. Полищук, А. И. Оценка напряженно-деформированного состояния грунтов в основании фундаментов с использованием численных методов [Текст] / А. И. Полищук, Д. Г. Самарин, А. А. Филиппович // Вестник гражданских инженеров. - 2013. - № 2. - С. 86-90.

3. Полищук, А. И. Оценка несущей способности свай в глинистых с помощью ПК PLAXIS 3D Foundation [Текст] / А. И. Полищук, Д.Г.Самарин, А. А. Филиппович // Вестник ТГАСУ. - 2013. -№ 3. - С. 351-359.

4. Полищук, А. И. Оценка загружения ленточных фундаментов в однородных глинистых грунтах при их усилении инъекционными сваями [Текст] / А. И. Полищук, Д. Г. Самарин, А. А. Филиппович // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 4. - С. 253-262.

5. Исследование совместной работы ленточного фундамента и инъекционных свай, используемых для его усиления в глинистом грунте [Текст] / А. А. Филиппович [и др.] // Вестник ТГАСУ. - 2014. -№ 3. - С. 177-190.

Статьи в других печатных изданиях

6. Полищук, А. И. О сопряжении инъекционных свай с фундаментом эксплуатируемого здания [Текст] / А. И. Полищук, А. А. Филиппович // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. ТюмГАСУ. - Тюмень, 2010. - С. 127-129.

7. Полищук, А. И. Применение ПК PLAXIS 3D Foundation для оценки напряженно-деформированной состояния глинистых грунтов в ос-

новании фундаментов [Текст] / А. И. Полищук, Д. Г. Самарин, А. А. Филиппович // Инженерные подходы к решению геотехнических задач : сб. науч. тр., посвящ. 80-летию К. Ш. Шадунца. -Краснодар : КубГАУ, 2013. - С. 63-69.

8. Полищук, А. И. Подход к расчету усиления ленточных фундаментов инъекционными сваями при их совместной работе в глинистых грунтах [Текст] / А. И. Полищук, Д. Г. Самарин, А. А. Филиппович // Инновационные конструкции и технологии в фундаменто-строении и геотехнике : материалы науч.-техн. конф. 27-29 окт. 2013 г. - Москва : Изд-во «Палеотип», 2013. - С. 214-221.

9. Взаимодействие комбинированного фундамента с глинистым грунтом основания в условиях реконструкции зданий грунтах [Текст] / А. А. Филиппович [и др.] // Вестник ПНИПУ. Стр-во и архитектура, 2014.-№ 3 - С. 73-86. ,

Патенты РФ на полезную модель

10. Пат. 85498. Российская Федерация, МПК7 Е 02 D 5/34. Конструкция усиления фундамента [Текст] / Полищук А. И., Филиппович А. А., Лобанов А. А. - № 2009107512/22 ; заявл. 02.03.09 ; опубл. 10.08.09, Бюл. № 22.

11. Пат. 85499. Российская Федерация, МПК7 Е 02D 5/34. Конструкция усиления плитного фундамента [Текст] / Полищук А. И., Филиппович A.A. - № 2009107825/22 ; заявл. 04.03.09 ; опубл. 10.08.09, Бюл. №22.

12. Пат. 108054. Российская Федерация, МПК7 Е 02D 27/08. Конструкция усиления фундамента[Текст] / Филиппович А. А. [и др.]. - № 2011110471/03 ; заявл. 18.03.11 ; опубл. 10.09.11, Бюл. №25.

ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ С ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ ОСНОВАНИЯ ПРИ ИХ УСИЛЕНИИ ИНЪЕКЦИОННЫМИ

СВАЯМИ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 10.10.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 318

Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2. Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ; 634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.