Повышение несущей способности грунта при возведении фундаментов под сооружения по хранению и переработке сельскохозяйственной продукции путем устройства свай на комбинированном основании

фундаменты, погружаемые методом статического вдавливания.

С учетом вышеизложенных факторов, предлагается конструкция фундамента, этапы формирования которой представлены на рисунке 1.

Размеры железобетонного ствола могут оставаться постоянными независимо от грунтовых условий, а размеры оболочек назначаются дифференцированно в зависимости от характеристик основания и нагрузки на фундамент. Внешняя нагрузка от сооружения на естественное основание передается через ствол, искусственную оболочку в грунте и оболочку из уплотненного грунта. Это позволяет перераспределить напряжения в естественном основании и вовлечь в работу больший объем грунта, что дает возможность в свою очередь существенно повысить его несущую способность и несущую способность свайного фундамента в целом.

Рис. 1. Этапы формирования сваи на комбинированном основании.

Рис. 2. Различные типы свайных фундаментов на комбинированном основании, где: 1-естеств. грунт;

2-ж/б ствол; 3-песчан. обол.; 4-грунт. обол.; 5-уплотн. грунт.

Сваи такой конструкции возводятся следующим образом (см. рис. 1.). На спланированной строительной площадке с помощью круглого или квадратного полого штампа 6, погружаемого в грунтовые основания методом вибровдавливания, статического вдавливания или забивки, образуют на заданную глубину скважины 7 с одновременным созданием уплотненной зоны 8. После погружения штампа 6 его извлекают, а образованную скважину заполняют бетонной смесью 9 на всю глубину. В случае устройства таких свай в обводненных грунтах полый штамп используют в качестве обсадной трубы, через которую производят заполнение скважины материалом снизу вверх. После заполнения скважины до устья производят обратное погружение штампа в скважину на первоначальную глубину. За один или несколько проходов штампа 6 в грунтовом массиве формуют замкнутую оболочку из бетонного слоя 3 и образуют уплотненную зону 8. Для создания грунтовой или песчаной уплотненной прослойки образующаяся в бетоне полость с размерами, равными размерам штампа, заполняют грунтом, песком или другим аналогичным материалом по принципу, описанному выше, и формуют также за один или несколько проходов штампа прослойку сыпучего материала 4, под воздействием которого бетонный слой 3 вытесняется в грунтовый массив с одновременным его уплотнением, некоторым уменьшением толщины стенки и увеличением объема уплотненного грунта. Таким образом, в грунтовом массиве формуется набивная оболочка, выполненная многослойной из расположенных коаксильно на расстоянии друг от друга бетонных слоев и размешенных между ними прослоек сыпучего материала. Заключительный этап устройства сваи состоит в погружении на заданную отметку железобетонного ствола. Для проходки скважины при устройстве свай на комбинированном основании разработано специальное устройство. Устройство состоит из трех основных блоков: рабочего цилиндра с наконечником, подводящими коммуникациями и поршнем для нагнетания жидкости в грунтовый массив; силового гидроцилиндра – привода, задействованного от гидросистемы базовой машины и регистраторов расхода рабочей жидкости, давлений в ней и двухкамерном гидродинамометре. Устройство позволяет выполнить следующие операции:

• -    с помощью сваевдавливающего агрегата осуществлять проходку скважин на требуемую глубину и выдавливание сыпучих материалов за пределы скважины в грунтовый массив;

• -    в просадочных грунтах с низкой природной влажностью производить локальное замачивание основания для снижения его сопротивления при погружении свай;

• -    в основаниях с равнопрочными прослойками производить проходку скважины с разрушением прочного грунта высоконапорными струями;

• -    инъектировать компоненты закрепляющих растворов в грунтовый массив;

• -    производить зондирование основания для определения сопротивления вдавливанию и оперативного контроля несущей способности свайного фундамента в процессе производства работ, а также для определения удельных сопротивлений по нижнему концу и боковой поверхности свай.

При зондировании грунта с помощью двухкамерного гидродинамометра на нескольких горизонтах через 10-20 см по глубине определяются общее сопротивление вдавливанию и трение по боковой поверхности при выдергивании. Сопротивление по нижнему концу определяется как разность между общим сопротивлением вдавливанию и трением по боковой поверхности. По полученным данным строятся графики зондирования, используя которые легко установить удельное трение и удельное сопротивление по острию на любой глубине грунтового массива, по ним определяют несущую способность свай.

Рассмотрим вопросы по методикам расчета таких типов фундаментов. В связи с конструктивной специфичностью свайных фундаментов на комбинированном основании СНиП 2.02.03-85 и другие региональные нормативные документы не содержат рекомендаций по расчету и проектированию таких фундаментов. Учитывая этот факт, возникает необходимость в разработке методики расчета малоразмерных свай на комбинированном основании с учетом характеристик грунта с, ф, Е и др., которыми проектировщик располагает по результатам инженерно-геологических изысканий.

Рекомендуемый здесь метод расчета разработан на основе излучения напряженно-деформированного состояния и других факторов взаимодействия грунта и микросваи, выявленных в данной работе, с использованием основополагающих теоретических методов расчета свай, устраиваемых с вытеснением грунта.

В расчетной схеме раздельно рассматривается работа нижнего конца и боковой поверхности сваи. Такое рассмотрение правомочно, поскольку испытания свай-штампов различного поперечного сечения, вдавленных на глубину от I до 3,5 метров в песчаных и глинистых грунтах показали, что сумма предельных сопротивлений грунта под нижним концом и по боковой поверхности определенных раздельно, равна предельной нагрузке на всю сваю. Таким образом, в основу расчета положено условие:

Р = Р о + Р б

Р6 = Ров + Р6в где Р - предельная нагрузка на сваю, кН;

Ро - предельное сопротивление по острию, кН;

Рб- предельное сопротивление по боковой поверхности, кН;

Рв- усилие вдавливания, кН;

Ров - сопротивление по острию при вдавливании, кН;

Р бв - сопротивление по боковой поверхности при вдавливании, кН.

Для определения предельного сопротивления по боковой поверхности микросвай с усиленным песчаной оболочкой основанием используем расчетную схему, приведенную на рисунке 3.

Рис. 3. Схема к определению сопротивлений по боковой поверхности микросваи с песчаной оболочкой.

Микросвайный фундамент рассматривается как конструкция, состоящая из железобетонного ствола и окружающей его грунтовой сваи, устройство которой выполнено с вытеснением материкового грунта за пределы её объема. Вследствие чего на боковую поверхность железобетонного ствола микросваи будет передаваться давлением материала засыпки и давление по контуру песчаной оболочки, возникающего в результате вытеснения уплотняемого грунта. Так как материал песчаной оболочки не обладает сцеплением, то в предельном состоянии сдвигающие и нормальные напряжения сдвига на контакте сваи и оболочки будут выражаться законом Кулона в следующем виде:

f = PM

Сопротивление на участке боковой поверхности высотой dz определится формулой:

dP ₆ = n bр _с tg ^ 1

где ф 1 - угол внутреннего трения материала оболочки, град.

Нормальное напряжение Р с на поверхности микросваи представляет собой суммарное горизонтальное давление, состоящее из бокового давления материала оболочки Р 1 и горизонтального давления материкового грунта, возникающего в результате его вытеснения и уплотнения, передаваемого на ствол микросваи через материал засыпки:

Р с = Р 1 + Р

Величина бокового давления материала оболочки определяется по формуле

Р1 = Y z^i где Y1- объемный вес материала оболочки, кН/м3;

• ^ 1 - коэффициент бокового давления песчаной оболочки.

Вторая составляющая горизонтального давления грунта, уплотненного при устройстве песчаной оболочки, может быть определена из рассмотрения условия равновесия выделенного единичного элемента фундамента, представляющего собой полукольцо с наружным диаметром b 0 внутренним b и высотой d z .

Для Р получаем зависимость:

Р = Р 2b о ⁺ £ ( b - b o )

• ⁰ 2b ⁺ ^ 1 ⁽ b o ^- b )

Приняв n = 2 b o ⁺ ^ ⁽ b ^- b o )

• ^{1    2} b ⁺ ^ 1 ⁽ b o ^- b )

получим величину горизонтального давления материкового грунта, возникающего в результате его уплотнения:

Р = Р о N 1

где Р0- горизонтальное давление на контуре оболочки из уплотненного песка.

Величина сопротивления по боковой поверхности определится по формуле

Рь = п • b • d • tgфx{ [0.5(r1^1 + /^N 1)d] +

+

sin ^

N 1 N ( 1 - sin ^ ) d ^i^ - N 1 c • ctg p

}

где b-диаметр микросваи, м;

d- глубина вдавливания микросваи, м;

Y —объемная масса уплотняемого материкового грунта, кН/мЗ ;

Y ₁-объемная масса уплотненного материала оболочки принимается, как для песчаных грунтов с коэффициентом пористости l< 0.55 кН/м³;

ф -угол внутреннего трения уплотняемого грунта, град;

ф1-угол внутреннего трения материала оболочки принимается, как для песчаных плотных грунтов, град;

^-коэффициент бокового давления уплотняемого грунтового основания;

^-коэффициент бокового давления материала оболочки;

C-сцепление уплотняемого грунтового основания.

Значение предельной нагрузки по острию для связных грунтов по схеме на рисунок 4:

1-Е' ”2"

Р ос = л-b ² j A ■ c

_ 4 ( c ■ cos ф + у-d ^ ) ( 1 - Ц ) - 2 y d ^ ( 2 - ц )

x {( cos ф + c ■ tg ф ) - A ■ c ■ tg ^ + A y- d ^ + Bc }

Рис. 4. Расчетная схема для определения сопротивления по плоскому нижнему концу вдавленной сваи: а) геометрические характеристики уплотненного ядра по результатам экспериментов;

• б) обобщенная схема уплотненного ядра с реактивными силами на его поверхности.

Предельная нагрузка по острию для песчаных грунтов:

1 -е '

Р оп = П- b ² j

A

E

_ 4/■ d^(1 + sin ^)(1 - Ц2)+2/^ d^(2+Ц) J x{yd^ sin ф+Ayi^}

При вдавливании микросвай в слабые грунтовые основания, усиленные песчаными оболочками, возможны два случая заглубления нижнего конца в оболочку; острие с образовавшимся под ним уплотненным ядром не выходит за пределы песчаной оболочки; нижний конец сваи находится на уровне сопряжения сферического основания оболочки и цилиндрической боковой поверхности оболочки, при этом высота уплотненного ядра превышает радиус сферического основания (рис. 5.).

Возведение фундамента по выше изложенной методике позволяет значительно повысить несущую способность грунтового основания и снизить затраты на производство непосредственно ствола свай за счет уменьшения сечения и длинны сваи. Фактически при одинаковых грунтовых условиях и при равных несущих способностях возможно уменьшение длинны сваи вдвое и более раз. Данная технология позволяет проводить реконструкцию существующих сооружения различного сельскохозяйственного назначение (укрепление фундаментов, возведение новых фундаментов в непосредственной близости от уже существующих).

Рис. 5. Расчетная схема к определению сопротивлений по острию микросваи, вдавленной в песчаную оболочку: а) случай, когда ядро не выходит за пределы сферического основания оболочки; б) уплотненное ядро частично прорезает сферическое основание песчаной оболочки; в) схема уплотненного ядра с реактивными силами сопротивления грунта по

его поверхности.