Исследование работы существующего фундамента в составе нового при усилении его сваями за результатами модельного эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование работы существующего фундамента в составе нового при усилении его сваями за результатами модельного эксперимента

Маевская И.В., Верстяк Н.В.

Винницкий национальный технический университет

Аннотация

В практике проектирования усиления существующих фундаментов сваями полностью исключается из работы существующий ранее фундамент - сооружение пересаживается на новый. Так как фундамент - это основная и наиболее дорогая его часть, то такой подход приводит к значительным потерям. В этой статье приведены данные модельных исследований, которые доказывают целесообразность учета работы существующего фундамента в составе нового свайного фундамента. Исследования проведены на моделях ленточных фундаментов мелкого заложения, как таковых, которые наиболее чаще усиливаются.

В процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений происходят деформации конструкций. При строительстве зданий на слабых грунтах основными причинами этих деформаций являются неравномерные осадки, которые вызывают разрушение фундаментов, стен, колонн, перекрытий. Выбор технологии усиления оснований и фундаментов зависит от категории состояния здания, а также от состояния риска при реставрации или реконструкции, которые предусматриваются. Реконструкция может быть связана с увеличением нагрузки на существующие фундаменты за счет надстроек, замены деревянных перекрытий железобетонными, изменением технологических процессов и т.п. Выбор метода усиления и реконструкции фундаментов зависит от причин вызвавших такое усиление, конструктивных особенностей существующих фундаментов и инженерно-геологических условий площадке.

Одним из распространенных способов усиления существующих фундаментов мелкого заложения является способ пересадки их на сваи. При этом для включения свай в работу, старый фундамент вводится в состав ростверка нового свайного фундамента или непосредственно им служит (например, при использовании буроинъекционных свай).

При проектировании усиления сваями важно знать, какую частицу общей нагрузки будут воспринимать сваи, а какую - конструкция старого фундамента, который играет роль ростверка.

Известно, что ростверк принимает участие в работе свайного фундамента, но общепринятой методики, которая позволяет определить часть нагрузки, что воспринимает ростверк, до этого времени не существует, а действующие в настоящее время нормы [1] рекомендуют работу ростверка не учитывать совсем.

Исследование опыта строительства и анализ публикаций по данной теме [2,3] показали, что часть работы ростверка растет при изменении расстояния между сваями, при уменьшении длины свай и улучшении грунтовых условий под его подошвой. В усиленных фундаментах расстояние между сваями обычно превышает общепринятую для новых фундаментов, поэтому актуальным вопросом является исследование совместной работы свай и существующего фундамента при его усилении пересадкой на сваи.

Целью исследование является доля участия ростверка усиленного сваями ленточного фундамента в общей несущей способности фундамента. Ленточный фундамент избран для рассмотрения как таковой, что усиливается сваями чаще, чем другие.

Первый этап исследований выполнялся на моделях.

Модельные исследования работы свайных фундаментов являются наиболее доступными и, как показывает опыт, позволяют получить достаточно достоверную качественную картину поведения свайных фундаментов под нагрузкой. Преимуществом их является возможность широкого варьирования разными параметрами свай и песчаного грунта, а также возможность многократного повторения.

При выполнении модельного эксперимента для исследования совместной работы свай и существующего фундамента при его усилении нами были поставлены такие задачи:

- изучить характер работы существующего фундамента при усилении сваями;

- выявить основные факторы, которые влияют на работу существующего фундамента как ростверка.

Для проведения модельных исследований была изготовлена конструкция ростверка (рис.1), которая есть одновременно и моделью существующего фундамента. Масштаб геометрического моделирования эксперимента 1:15. Материал ростверка - сталь. Отверстия в ростверке размещении на расстоянии 3d (d - сторона сваи), что позволяет размещать сваи с шагом 3d и 6d. При размещении свай с шагом 6d неиспользованные отверстия не влияют на результаты эксперимента. Для обеспечения совместимой работы свай и ростверка возле каждого отверстия для сваи размещено по два отверстия для болтов. После забивки сваи отверстие закрывается пластинкой, что крепится с помощью двух болтов (рисунок 2).

Рис 1.

Рис.2. Крепеж сваи в ростверке: 1 - ростверк; 2 - наголовник; 3 - свая; 4 - болт; 5 - металлическая пластина, 6 - проволока от наголовника.

фундамент усиление свайный

Для получения данных о нагрузках, которые воспринимают сваи, были изготовлены наголовники для свай в виде металлических цилиндров высотой 4,5см и диаметром - 1,5см, на которые приклеены тензометрические датчики сопротивления предварительно протарированые. Сваи были изготовлены из древесины, квадратного сечения 20х20мм, длиной 20, 30 и 40см.

Испытания проводились в лотке размерами 1800х1200х1000мм. В качестве грунта был использован песок средней крупности, физические характеристики которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Физические характеристики грунта в лотке

Глубина лотка обеспечивает расстояние не меньше 8d от острия самых длинных свай к дну лотка, то есть сохраняется ненарушенная картина напряженного состояния вокруг сваи. Песок в лоток засыпался и послойно уплотнялся. Плотность песчаной основы контролировали весовым методом по способу «режущего кольца» в соответствии с ГОСТ 5182-78. Влажность определялась согласно ГОСТ 5180-75.

Нагрузка на ростверк передавалась через жесткую металлическую балку, которая моделировала стену фундамента.

Для передачи и измерения нагрузки использовались соответственно автомобильный домкрат и динамометр, которые рассчитаны на максимальную нагрузку 5т.

В качестве опорной системы для домкрата была использована металлическая рама. Размещение всего опытного оборудования показано на рис.3.

Рис.3. Модель фундамента под нагрузкой

Измерение осадки фундамента осуществлялось двумя прогибомерами, что крепились к реперной системе [2].

Для измерения нагрузки, что воспринимается сваями, тензометрические датчики были подключении к прибору ИДЦ (измеритель деформаций цифровой). Программа модельного эксперимента представлена в таблице 2.

Таблица 2 Программа модельных испытаний

Моделировалась работа старого фундамента с последующим усилением сваями.

Все модельные испытания проводились по следующей методике:

1) выравнивание поверхности песка и установления ростверка (старого фундамента);

2) установление распределительной балки, домкрата, динамометра;

3) крепление прогибомеров;

4) нагрузка конструкции ступенями 200кг с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации;

5) нагрузка фундамента без свай осуществлялась до начала разрушения грунта;

6) после исчерпания несущей способности фундамента без свай забиваются сваи, устанавливаются наголовники и продолжаем нагружать фундамент ступенями до потере грунтом несущей способности.

За критерий потери несущей способности грунта принималось возникновение вокруг фундамента радиальных трещин.

В результате были проведены 6 серий опытов, которые в зависимости от шага свай условно разделим на две группы: 1 - с шагом 3d, 2 - с шагом 6d. Процесс нагрузки конструкции разделим на два этапа: 1 - без свай, 2 - со сваями. Первый этап загрузки моделирует работу ленточного фундамента. Второй - работу фундамента после его усиления сваями.

Забивка свай начиналась при значительном раскрытии трещин на первом этапе, но без разгрузки фундамента. Таким образом был смоделирован процесс усиления.

Графики зависимости осадки фундамента от нагрузки для разных длин свай на первом и втором этапе нагрузки приведено на рисунках 4 и 5.

Рис.4.График зависимости осадки от нагрузки при шаге свай 3d

Рис.5. График зависимости осадки от нагрузки при шаге свай 6d

По этим графикам можно сделать вывод, что при выполнении модельных испытаний зависимость между осадкой и нагрузкой имела закономерный характер. Несущая способность фундамента до усиления составляет 1500кгс.

Было зафиксировано, что еще до объединения свай в ростверк, сваи начинают работать. При этом они воспринимают при шаге 3d 10-11% от общей нагрузки на фундамент, а при шаге 6d 18-21%. Это явление происходит за счет уплотнения основы, что находится под ростверком.

В результате проведения испытаний были получены данные о несущей способности свай и фундамента в целом. На основании этого стало возможным вычислить несущую способность ростверка на разных ступенях нагрузки, результаты представлены на рисунках 6 и 7.

Рис.6.Зависимость несущей способности фундамента от длины свай при шаге свай 3d

Рис.7. Зависимость несущей способности фундамента от длины свай при шаге свай 6d

При шаге свай 3d несущая способность ростверка составила 2400-2415кгс, при шаге свай 6d - 2470-2490кгс. Зависимость несущей способности ростверка от шага и длины свай показана на рис.8.

Несущая способность ростверка после усиления превышает несущую способность фундамента до усиления. При увеличении шага свай наблюдается незначительное увеличение несущей способности ростверка. Это связано с увеличением плотности основы.

Рис.8. График зависимость несущей способности ростверка от шага и длины свай

Основным результатом проведенных испытаний является получение зависимости части, которую составляет несущая способность ростверка в составе усиленного фундамента, от длины и шага свай. Эта зависимость показана на рисунке 9.

Рис.9. Зависимость частицы, которую составляет несущая способность ростверка в составе усиленного фундамента, от длины свай

На рис.9 несущая способность ростверка показана в процентах от общей несущей способности фундамента. За графиком можно сделать вывод, что часть несущей способности ростверка больше при меньшей длине свай.

Проведенные модельные исследования позволяют сделать следующие выводы:

- при усилении ленточного фундамента сваями они начинают работать до объединения со старым фундаментом. Наличие забивных свай позволяет увеличить несущую способность старого фундамента на величину 10-20%;

- часть, которую составляет несущая способность существующего фундамента в составе усиленного, превышает 50% и зависит от длины и шага свай;

- с увеличением длины свай часть, которую составляет несущая способность существующего фундамента как ростверка, уменьшается; с увеличением шага свай эта часть также уменьшается, но несущественно;

- поскольку процент участия ростверка в распределении общей нагрузки значителен, то это значит, что учет работы старого фундамента в качестве ростверка при его усилении даст возможность экономить значительную часть средств. По предварительным расчетам экономический эффект от такого внедрения составляет 25-33%. Такая цифра является достаточно существенной, ведь усиление фундаментов является одним из самых дорогих строительных процессов.

Литература

1. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты

2. Далматов Б.И., Лапшин Ф.К., Россихин Ю.В. Проектирование свайных фундаментов в условиях слабых грунтов. Под ред. д-ра техн. Наук проф. Б.И, Далматова Л., Стройиздат, Ленингр. отд-ние., 1975.- 240с.

3. Микитенко М.И., Сернов В.А., Щербицкий Д.Л., Балаш Н.С. Исследование работы свайных фундаментов с низкими ростверками.//Будівельні конструкції.-2004.-С.420-425.

4. ДСТУ Б В.2.1-1-95 (ГОСТ 5686-94) Основи та підвалини будинків і споруд. Грунти. Методи польових випробувань палями

Размещено на Allbest.ru