Исследование фундаментов в вытрамбованных котлованах в непросадочных глинистых грунтах и метод расчета несущей способности по данным вытрамбовки

В практике строительства одной из материалоемких и трудоемких областей является устройство фундаментов. Одной из попыток уменьшить материалоемкость и трудоемкость является применение фундаментов в вытрамбованных котлованах (ФВК). Этот тип фундамента позволяет за счет уплотнения грунта и повышения его несущей способности уменьшить материалоемкость, а бетонирование без опалубочных работ — снизить его трудоемкость. ФВК широко применялись в просадочных грунтах и в этих условиях их эффективность общеизвестна.

Эти фундаменты успешно опробованы при залегании глинистых непросадочных грунтов от полутвердой до мягкопластичной консистенции. Однако их эффективность в этих условиях выяснена недостаточно.

В технологии устройства ФВК наметилось основные направления:

— котлован вытрамбовывается падающей трамбовкой, форма которой соответствует форме фундамента, и в некоторых случаях дополнительно в основание втрамбовывается жесткий материал;

В последнее время институтом БашНИИстрой предложены комбинированные свайные фундаменты (КСФ). Комбинированные свайные фундаменты представляют собой сочетание котлована, погруженных в котлован после вытрамбовки свай с последующим бетонированием верхней части фундамента. Котлован вытрамбовывается двумя способами: металлическим штампом, погружаемым дизель-молотом с последующим извлечением;

— образуется полым сборным железобетонным стаканом, погружаемым дизель-молотом и остающимся в грунте как элемент фундамента.

При проектировании зданий необходимо иметь результаты полевых испытаний фундаментов статическими нагрузками для удовлетворения требований СНиП. Количество испытаний определяется инженерно-геологическими условиями и должно быть не менее двух для одного здания. Проведение статических испытаний ФВК сопряжено с определенными трудностями. Практика строительства показывает, что несущая способность ФВК достигает 1500−1700 кН, комбинированных свайных фундаментов 35 004 000 кН, что требует достаточно надежных анкерных устройств. Однако ФВК, имеющие, как правило, коническую форму с достаточно большим уклоном граней, плохо работают на выдергивающие нагрузки.

В строительной практике используются два способа статических испытаний:

— в качестве анкерных свай применяются забивные сваи и нагрузка создается гидравлическим домкратом;

— используются тарированные грузы, укладываемые на специальную дополнительную платформу.

В первом случае на площадку, помимо основного оборудования, необходимо доставлять дополнительное сваебойное оборудование и забивные сваи.

Во втором случае проведение испытания сопряжено с необходимостью перевозки значительной массы грузов и затратами на их укладку и разборку.

Все это подтверждает актуальность разработки метода динамического контроля несущей способности ФВК по технологическим параметрам вытрамбовки. Этот метод мог бы уменьшить число статических испытаний, кроме того, с его помощью можно контролировать ожидаемую неравномерность несущей способности фундаментов по всей площадке или ее участку.

Объект исследования — фундамент в вытрамбованном котловане.

Предмет исследования — механизм взаимодействия трамбующего рабочего органа с грунтовым основанием при контрольных испытаниях для определения несущей способности ФВК по параметрам вытрамбовки.

Цель работы: обоснование эффективности фундаментов в вытрамбованных котлованах в непросадочных грунтах, а также разработка метода контроля несущей способности фундаментов по технологическим параметрам вытрамбовки.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

— провести теоретические обоснования основных принципов расчета несущей способности ФВК по величине энергии, подводимой трамбовкой к массиву грунта, и величине отказа;

— исследовать процесс передачи энергии грунту на получение достаточной несущей способности с учетом потерь на побочные деформационные процессы;

— разработать методику проведения полевых натурных экспериментов;

— провести исследования в полевых условиях и по их результатам разработать инженерный метод расчета несущей способности ФВК и КСФ по результатам вытрамбовки;

— оценить эффективность применения ФВК в условиях залегания непросадочных грунтов по сравнению с традиционными фундаментами на естественном основании;

— провести проверку предложенного метода на площадках строящихся объектов.

Методика исследования заключалась:

— в проведении численных и полевых исследований по сравнению несущей способности грунтового массива естественного залегания и уплотненного при вытрамбовке котлована;

— в разработке теоретических предпосылок распределения подводимой к массиву грунта энергии на каждой фазе деформирования;

— в проведении полевых экспериментов с контролем процесса вытрамбовки по следующим основным параметрам: остаточному «отказу», величине выпора грунта и величине подводимой к грунтовому массиву энергии;

— в оценке эффективности ФВК в непросадочных грунтах по результатам полевых испытаний и численных исследований;

— в получении эмпирических расчетных формул;

— в статистической обработке результатов исследований и оценке погрешности предлагаемого метода.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

— получены результаты оценки эффективности ФВК в непросадочных глинистых грунтах по сравнению с традиционными фундаментами на естественном основании.

— предложен механизм распределения энергии падающей трамбовки по фазам уплотнения грунта при устройстве ФВК;

— разработан инженерный метод оценки несущей способности ФВК по данным вытрамбовки, учитывающий характер распределения энергии удара в процессе уплотнения в зависимости от свойств грунта;

— предложены эмпирические формулы для определения величины коэффициента, учитывающего долю энергии, подведенной к грунтовому массиву при ударе и затраченной на формирование несущей способности ФВК;

На защиту выносятся:

— результаты оценки эффективности ФВК в непросадочных глинистых грунтах по сравнению с традиционными фундаментами на естественном основании;

— теоретические предпосылки механизма распределения энергии удара трамбовки при деформировании грунта котлована ФВК;

— инженерный метод оценки несущей способности ФВК по данным вытрамбовки;

— результаты полевых натурных исследований и эмпирические зависимости для расчета коэффициента, учитывающего долю энергии удара, затраченную на формирование несущей способности ФВК;

Практическое значение и реализация работы состоит в следующем:

— результаты работы использованы строительными организациями РБ при строительстве нескольких промышленных объектов, где сооружались фундаменты в вытрамбованных котлованах;

— за счет проведения динамических испытаний на каждом объекте число статических испытаний ФВК ограничивалось одним испытанием, что позволило уменьшить число статических испытаний в два раза;

— контроль несущей способности ФВК по результатам вытрамбовки дает возможность оценить характер колебания несущей способности по всей площадке.

Достоверность результатов исследований подтверждается данными натурных полевых экспериментов, проведенных с использованием современных измерительных средств, статического зондирования и применением современных методов тарировки и оценки точности измерений. Результаты натурных полевых экспериментов подтверждают сходимость с принятыми физическими моделями. После статистической обработки экспериментальных результатов получена удовлетворительная сходимость с контрольными опытами.

Апробация и публикация работы. Основные результаты доложены:

— на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений» — Пенза, 2004. на Научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» — Пермь, Фонд им. проф. Бортоломея А. А., 2005.

— на X Юбилейной Международной научно-технической конференции при X специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство» — Уфа, УГНТУ, 2006.

— на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений» — Пенза, 2006. на XI Международной научно-технической конференции «Строительство. Коммунальное хозяйство» — Уфа, УГНТУ, 2007.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в восьми печатных работах. Общий объем публикаций составляет более 2,5 печатных листов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, 25 таблиц, 60 рисунков, библиографический список из 75 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Выполнены численные и натурные исследования, результаты которых показывают эффективность применения ФВК в непросадочных глинистых грунтах с повышением удельной несущей способности материала в 2,5.3,0 раза выше по сравнению с фундаментами на естественном основании.

2. Разработанные теоретические предпосылки проведения исследований дали возможность предложить механизм распределения энергии удара при деформировании грунта на уплотнение и повышение несущей способности и затраты на побочные процессы.

3. Используя предлагаемую структуру распределения энергии при уплотнении грунта, проведены полевые эксперименты, которые позволили установить характер изменения величины коэффициента полезного использования энергии грунта «К» от характеристик грунта.

4. Материалы всех полевых исследований с учетом материалов испытаний на производственных площадках позволили выявить и предложить три возможных направления практического определения несущей способности ФВК по результатам вытрамбовки с использованием предложенных инженерных формул:

— применение полученной эмпирической формулы, выражающей зависимость коэффициента «К» от лобового сопротивления статическому зондированию грунта;

— применение полученной эмпирической формулы, выражающей зависимость коэффициента «К» от измеряемого выпора грунта;

— при наличии только материалов предварительных традиционных изысканий предложено определять величину коэффициента «К» по индексу текучести грунта по предложенной в работе таблице.

5. Разработаны и предложены формулы для расчета несущей способности комбинированных свайных фундаментов, которые также получили контрольную проверку на производственных площадках.

6. Предложенные инженерные расчетные формулы для оценки несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах всех типов: ФВК, ФВК с уширением, КСФ — проверены сравнением с результатами статических испытаний. Расхождения расчетных данных и результатов испытаний находились в пределах от — 15% до +14%.

7. Предлагаемый метод оценки несущей способности ФВК и комбинированных свайных фундаментов по технологическим параметрам вытрамбовки, регистрируемым при устройстве фундаментов, позволяет осуществлять контроль несущей способности без дополнительных затрат и дает возможность значительно снизить количество дорогостоящих статических испытаний. Кроме того предлагаемый метод позволяет получить общую картину разброса несущей способности ФВК по всей площадке.

8. Методика оценки несущей способности ФВК, разработанная в диссертации, использована предприятием ОАО «Нефтьмонтаж» на площадке приемно-сдаточного пункта трубопровода (г. Сим) при устройстве опор под молниеотводы. Это дало возможность не проводить статические испытания и получить экономию в размере 71 тыс. руб.