СВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ, ВОЗВОДИМЫЙ НА ПУЧИНИСТОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2005 года по МПК E02D27/14 E02D27/35 

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству свайных фундаментов в суровых природно-климатических условиях.

Известны устройства малозаглубленных фундаментов (ростверков) на пучинистых грунтах в зарубежных странах, приведенные в работе [1]. Там в пределах обратных засыпок применяются дренируемые непучинистые грунты, а основания фундаментов для исключения промерзания пучинистых грунтов утепляются экструдированным пенополистиролом. Такое решение требует применения большого количества непучинистых материалов для обратных засыпок и высококачественного экструдированного утеплителя, выдерживающего давление 300-700 кН/м² с более высокой ценой по сравнению с другими утеплителями. Из-за дороговизны такие фундаменты не получили большого распространения в России.

Наиболее близкими по своей сущности (без утепления) и достигаемому техническому результату являются свайные фундаменты, размещаемые на пучинистых грунтах по проекту «Сибэнергосетьпроект» для подстанции ПС 110/10 кв по ул. Энтузиастов в г. Омске, выполненные в соответствии с действующими строительными нормами [2] (листы АС-31 и АС-32 прилагаются). На листе АС-32 показан узел устройства воздушного зазора между подошвой ростверка и пучинистым грунтом высотой 200 мм для исключения влияния морозного пучения на ростверк. По боковым поверхностям ростверков воздушный зазор защищается от наплыва грунта асбестоцементными листами, оголовок сваи разбивается на 300 мм и оголенная арматура свай заводится в тело ростверка по конструктивным соображениям. Боковые поверхности ростверков обмазываются горячим битумом за два раза, а боковые поверхности свай в пределах глубины сезонного промерзания покрываются кремнеорганической эмалью КО-198 ТУ 6-02-841-74 по грунтовке разбавленной эмалью (см. лист АС-31).

Основным недостатком указанного свайного фундамента является большая трудоемкость работ и затрат материалов для устройства воздушного пространства между подошвой ростверка и поверхностью пучинистого грунта и обмазка боковой поверхности ростверков и свай высокомолекулярными соединениями из полимерных материалов. Кроме того, исключается из работы грунт под подошвой ростверка и в пределах обмазки поверхности свай, воспринимающего в зависимости от его сжимаемости до 15-25% нагрузки от всего фундамента, тем самым требующего дополнительного увеличения длины свай.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении материалоемкости и трудоемкости устройства противопучинных мероприятий и повышении надежности свайных фундаментов с ростверками на пучинистых грунтах в период эксплуатации зданий и сооружений.

Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно изобретению ростверк свайного фундамента размещается непосредственно на поверхности пучинистого грунта, оголовка сваи разбивается по меньшей мере на 150 мм и арматуры сваи заводятся в ростверк и анкеруются аналогичными стержнями длиной согласно требований [3] в зависимости от площади сечения арматуры сваи, определяемой по формуле:

при условии

где

A_s,tot - суммарная площадь растянутой арматуры в одной свае, м²;

F_f(max)- максимальное значение растягивающих свай сил в начале

перемещения свайного фундамента с ростверком от нормальных сил морозного пучения, кН, определяемое по формуле:

где

u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

γ_cf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности

сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи, определяемой по табл.3 [2];

K_f - коэффициент, учитывающий увеличение анкерующей способности свай при промерзании грунтов, определяемый согласно [4];

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кПа, принимаемое по табл.2 [2];

h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, определяемая по данным инженерно-геологических исследований грунтов для конкретной строительной площадки, м, при этом в пределах сезонного промерзания толщина h_i-слоя определяется за вычетом глубины промерзания грунтов (d_fi);

R_tb, - расчетное сопротивление бетона сваи на осевое растяжение, определяемое по данным [3];

А_sd- площадь сечения сваи, м;

R_s - расчетное сопротивление арматуры свай, кН/м²;

h_f - величина выпучивания свайного фундамента без учета веса здания на

период строительства, м;

L_u - расстояние между смежными свайными фундаментами, м;

ΔS - допустимая величина выпучивания свайного фундамента, м, принимаемая согласно [5].

Величина выпучивания свайного фундамента определяется по формуле:

где

ε_fpi - степень пучинистости i-го слоя грунта под ростверком при давлени

P_zi, в дол.ед., определяемая по графикам [6] на Фиг.1,

ε_fi - степень пучинистости грунта от собственного веса грунта определяется по методике [7];

d_fi - толщина i-го слоя грунта под фундаментом, м;

P_zi - давление на i-слой грунта по глубине промерзания определяется известным способом [8] при расчетном сопротивлении на растяжение при изгибе ТСГ (R_fbf), принимаемое по экспериментальным данным, а при их отсутствии с некоторым запасом надежности по формуле:

где

R_tb - нормативное сопротивление тяжелого бетона класса В 7,5 на осевое растяжение, определяемое согласно [3];

K_t - коэффициент, учитывающий климатические условия района строительства, определяемый по формуле:

где

F - индекс промерзания для района строительства, равный произведению абсолютных значений отрицательной температуры воздуха на время в сутках, определяемое по данным [9].

Изобретение поясняется графически, где:

- на Фиг.2 - показан схематически свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании;

- на Фиг.3 - расчетная схема свайного фундамента с ростверком на пучинистом грунтовом основании.

На Фиг.2 показаны: 1 - ростверк; 2 - свая; 3 - пучинистый грунт; 4 - песчаная подготовка; 5 - анкерные стержни, которые соединены сваркой с выпусками арматуры из свай 6; 7 - конструктивные арматурные сетки ростверка; 8 - конструктивное поперечное армирование ростверка; 9 - обратная засыпка из местного пучинистого грунта.

На Фиг.3 показаны: 1 - ростверк; 2 - свая; 3 - ТСГ; 4 - граница промерзания; 5 - граница ТСГ при F_y∂=F_fp; 6 - нормальные силы морозного пучения; 7 - граница изменения площади ТСГ под ростверком; hт - толщина ТСГ; d_f -глубина сезонного промерзания; h_T(n) - предельная толщина ТСГ, после которой начинается перемещение ростверка.

Предлагаемый свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании, работает следующим образом.

По мере промерзания грунта под ростверком толщина ТСГ 3 увеличивается, соответственно увеличивается ее площадь 7 и сила, выталкивающая ростверк со сваями. Этому препятствует собственный вес ростверка 1 со сваями 2, вес промерзаемого грунта и трение свай по грунту. При достижении определенной толщины ТСГ и ее площади 5 под ростверком удерживающие и выталкивающие силы выравниваются (F_y∂=F_fp) и начинается перемещение свайного фундамента, при этом растягивающие сваи силы достигают своей максимальной величины. По значениям этих сил определяется необходимая площадь арматуры 6 свай по формуле (1) и длина их анкеровки 5 в ростверк.

Пример расчета:

В качестве примера взяты свайные фундаменты, запроектированные для «Культурно-досугового центра с подземными гаражами по ул.К.Либкнехта-Гагарина в г. Омске». Инженерно-геологические условия и прочностные характеристики бетона, условия промерзания приведены в работе [10].

Общая удерживающая сила ростверка от перемещения нормальными силами морозного пучения на период строительства (без учета нагрузки от здания) в начале промерзания равна:

F_у∂=N_ф+4N_c+n·u·∑γ_cf·K_f·f_i=30+4·17,5+4·197=888кН

где

γ_cf=1 - для забивных свай;

К_f=1 - для текучепластичных грунтов.

n=4, u=4·0,3=1,2 м, сваи С-8-30-3

Уравнение кривой зависимости степени пучения от давления для пучинистых грунтов под ростверком, полученное с использованием рекомендаций [7] при ε_fi=0,078 и Фиг.1, выражается формулой:

Определяем величину выпучивания свайного фундамента по формуле (4): при значениях P_zi для каждого слоя ТСГ через 0,25 м и пластично-мерзлого слоя. При общей глубине промерзания 1,54 м толщина ТСГ для суглинка составила 1 м; R_ftb=714 кПа; М_(max)=3,11 кН.м; ширина квадратного ростверка b=1,4 м; объемный вес грунта γ=19,3 кН/м³; площадь ростверка 4=1,96 м² площадь сваи А_с=0,3²=0,09 м²; ε_fi-0,078, R_tb=816 кПа для бетона класса В20.

Максимально возможное давление под ростверком в начале промерзания:

Максимальное значение нормальных сил морозного пучения при ε_fi=0,078 по Фиг.1 Р_f(max)=234 кПа.

Определяем условную ширину ТСГ при h_T=0,25 по формулам [8]:

угол разрушения ТСГ tg α=0,165/0,25=0,66; α=33°

b₁=1,4+2·0,165=1,73 м; A_s1=1,73²-4·0,09=2,63 м²;

где

- силы трения свай к выпучиванию;

2,63·0,25·19,3=13 кН собственный вес грунта, кН

при P_zi=333>P_f(max)=234 кПа ростверк неподвижен.

2) h_Т=0,5м α=33°

b₂=1,73+2·0,165-2,06м; A_s2=2,06²-0,36=3,884м²

3) h_Т=0,75м α=34°

b₃=2,06+2·0,168≅2,4 м² A_s3=2,4²-0,36=5,4м²

4) h_Т=1,0 м

b₄=2,4+2·0,197≅2,8 м; A_s4=2,8²-0,36=7,48 м²;

5) при d_f=1,54 м;

Определяем величину выпучивания грунта под ростверком по формуле (7)

1) при h_T=0,25 м; P_z(cp)=(555+333)/2=444>P_f(max)=234 кПа - пучение отсутствует;

2) h_T=0,5 м; Pzcp=(333+226)/2=280 кПа

P_z2(cp)=280>P_f(max)=234 кПа - пучение отсутствует.

3) hT-0,75 м; Р_z3(ср)=(226+165)/2=196 кПа <234

Определяем по интерполяции толщину ТСГ, при которой начинается перемещение ростверка:

т.е. при глубине промерзания d_f=1,0 м начинается морозное выпучивание ростверка.

Определяем величину пучения слоя при P_z3(cp)=196 кПа по формуле (7)

h_f3=ε_fp3(ср)·d_f3=0,005·250=1,3мм.

4) h_T=1,0 м;P_z4(ср)=(165+125)/2=145 кПа ;

h_f4=ε_fp4(ср)·d_f4=0,0136·250=3,4 мм.

5) d_f=1,54 м;P_z5(ср)=(125+128)/2=126,5 кПа ;

h_f5=ε_fp5(ср)·d_f5=0,0175·540=9,4 мм.

h_f=h_f3+h_f4+h_f5=1,3+3,4+9,4=14 мм

Фактическая величина выпучивания фундаментов составила 6-9 мм

L_u=600 см; h_f=1,4 см;

по приложению 4 [8] для многоэтажных зданий со стальным каркасом.

Определяем максимальное значение растягивающей одной сваи силы в начале перемещения ростверка:

По формуле (1) определяем площадь арматуры для одной сваи:

Площадь сечения одной арматуры As=2,9/4=0,72 см²;

принимаем 4 Ф 10 А-Ш, A_sltot=3,14 см²>2,9 см².

Таким образом, свая со стандартным армированием по ГОСТ 19804.1-79 марки С 8-30-3 обеспечивает совместную работу ростверка со сваями на пучинистом грунтовом основании.

Литература

1. А.Л.Невзоров. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2000,151 с.

2. Свайные фундаменты. СНиП 2.02.03-85. - М.: Стройиздат, 1986.-44с.

3. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84) - М.: Стройиздат, 1989, 192с.

4. Методические указания по проектированию свайных фундаментов в пучинистых грунтах. СибЦНИИС Минстрой СССР, Новосибирск, 1972 -17с.

5. Основания зданий и сооружений. СНиП.2.02.01-83*. М.: Стройиздат, 1995.-49с.

6. Р.Ш.Абжалимов. Лабораторные исследования морозного пучения. Основания, фундаменты и механика грунтов. 1982, №5,-с.20-22.

7. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. М.: НИИОСП. 1985.-60с.

8. Р.Ш.Абжалимов. К расчетной схеме взаимодействия пучинистого грунта с боковой поверхностью мелкозаглубленного ленточного фундамента при свободном его перемещении.- Промышленное и гражданское стр-во. - 2003,-№3.-с.43-45.

9. Строительная климатология и геофизика. СНиП 2.01.01-82. - М.: Стройиздат, 1983.-c.136.

10. Р.Ш.Абжалимов, А.Г.Голубев. «Опыт строительства свайных фундаментов с ростверками на пучинистых грунтовых основаниях в г.Омске». В кн. Вопросы фундаментостроения и геотехники. Омск: Изд-во СибАДИ, 2002.С. 11-17.

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству свайных фундаментов в суровых природно-климатических условиях. Свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании, включает сваи, погруженные в сезоннопромерзающие пучинистые грунты, ростверк, объединяющий оголовки свай, отличающийся тем, что ростверк непосредственно опирается на пучинистое грунтовое основание, а оголовки свай имеют выпуски арматуры по меньшей мере на 150 мм и соединены сваркой с анкерными стержнями, которые расположены в теле ростверка, при этом суммарная площадь растянутой арматуры одной сваи, максимальное значение растягивающей силы сваи, фактическую величину выпучивания свайного фундамента определяют по приведенным зависимостям при условии, что предельно допустимая относительная разность пучения должна быть больше или равна фактической относительной разности пучения. Технический результат изобретения состоит в уменьшении материалоемкости и трудоемкости устройства противопучинных мероприятий, повышении надежности и улучшении работы свайного фундамента в процессе эксплуатации зданий и сооружений. 3 ил.

Свайный фундамент с ростверком, возводимый на пучинистом грунтовом основании, включающий сваи, погруженные в сезоннопромерзающие пучинистые грунты, ростверк, объединяющий оголовки свай, отличающийся тем, что ростверк непосредственно опирается на пучинистое грунтовое основание, а оголовки свай имеют выпуски арматуры по меньшей мере на 150 мм и соединены сваркой с анкерными стержнями, которые расположены в теле ростверка, при этом суммарная площадь растянутой арматуры одной сваи определяют по формуле

где A_Stot - суммарная площадь растянутой арматуры в одной сваи, м²;

R_tb - расчетное сопротивление бетона сваи на осевое растяжение, кН/м²;

A_Sb - площадь сечения сваи, м²;

R_S - расчетное сопротивление арматуры сваи, кН/м²;

F_f(max) - максимальное значение растягивающей сваи силы при начале перемещения свайного фундамента с ростверком от нормальных сил морозного пучения, кН, определяемое по формуле при условии, что предельно допустимая относительная разность пучения должна быть больше или равна фактической относительной разности пучения

- предельно допустимая относительная разность пучения для здания, сооружения;

- фактическая относительная разность пучения для зданий, сооружений;

L_u - расстояние между смежными свайными фундаментами, м;

ΔS - допустимая величина пучения свайного фундамента, м;

при этом максимальное значение растягивающей силы сваи определяют по формуле:

F_f(max)=u·∑γ_cf·K_f·f_i·h_i;

где u - наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

γ_cf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи:

K_f - коэффициент, учитывающий увеличение анкерующей способности свай при промерзании грунтов;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, кН/м;

h_i - толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи принимаемая с учетом глубины промерзания грунтов, м;

а фактическую величину выпучивания свайного фундамента, м, определяют по формуле

где ε_fpi - степень пучинистости i-го слоя грунта под ростверком при давлении на него P_zi дол.ед.;

d_fi - толщина мерзлого i-го слоя грунта под фундаментом, м;

P_zi - давление от ростверка на i-й слой по глубине промерзания, кН/м².