Рациональный вариант фундаментов здания в сложных инженерно-геологических условиях г. Пензы

В последнее время в сложных грунтовых условиях предлагается устраивать фундаменты на забивных пирамидальных сваях [1, 2].

Пирамидальные сваи являются одной из разновидностей свай с наклонными гранями и применяются только как сваи трения, когда необходимо более полно использовать несущую способность однородного грунта. Эффективность пирамидальных свай обусловлена характером формирования зоны уплотнения при погружении их и законами распределения напряжений в грунтах. В отличие от призматических свай, пирамидальные по мере погружения в грунт под нагрузкой работают враспор, подобно клину, что создает у боковых плоскостей сваи значительный объем уплотненного грунта с улучшенными физико-механическими характеристиками, и способствует восприятию наибольшей вертикальной нагрузки [3, 4].

В настоящее время применяются пирамидальные сваи с малыми (1ч4°) и с большими (4ч15°) углами наклона боковых граней. Голова сваи имеет размеры до 80ґ 80 см и острия — до 10ґ 10 см. Длина этих свай — от 1,5 до 8 м. Пирамидальные сваи (при любом уклоне боковых граней) по характеру работы в грунте относятся к числу висячих. Под действием нагрузки происходит перемещение сваи относительно окружающего грунта и постоянное нарастание суммарных сил трения по боковым поверхностям и сопротивления под острием сваи. Характерным для свай с наклонными гранями является активная работа боковой поверхности.

Пирамидальные сваи особенно эффективны как на площадках, сложенных однородным недоуплотненным по глубине грунтом, так и в случаях, когда сваи прорезают слои плотных грунтов и их нижний конец заглубляется в более слабые грунты (за исключением илов, торфа, глинистых грунтов текучей консистенции, рыхлых песков). В этих условиях наличие наклонных граней позволяет получить требуемую несущую способность свай, которые применяют как одиночные сваи, в составе ленточных фундаментов под стены при однорядном и двухрядном расположении свай или в виде кустов свай под колонну. Однако не везде удается применять сваи с наибольшим уклоном боковых граней (i > 0,25), поскольку в плотных грунтах их погружение оказывается затруднительным. Поэтому сваи с углами наклона граней 2ч9° целесообразно использовать в грунтах плотных и средней плотности, а сваи с углами наклона 9ч15° - в рыхлых.

Геологическое строение площадки строительства пожарного депо на восемь автомобилей в г. Пенза отличается неоднородностью по составу и невыдержанностью по площади и глубине. Под слоем песка разной крупности мощностью 1,0ч4,0 м можно встретить переслаивающиеся слои слабых водонасыщенных лёссовидной супеси и суглинков. Инженерно-геологические условия площадки строительства представлены на рис. 1, 2, 3. В таких сложных грунтовых условиях предлагается устраивать фундаменты на забивных пирамидальных сваях. Произведем сравнение призматических и пирамидальных свай равного объема в одинаковых грунтовых условиях.

В инженерно-геологических условиях (ИГУ 1) площадки строительства, представленных сверху слоем песка мощностью 4,0 метра, подстилаемого прослойкой слабого водонасыщенного лёссового грунта, мощностью 3,0 м (рис.1), фундаменты зданий и сооружений возводятся, как правило, на длинных сваях, забиваемых до плотного грунта (песок крупный средней плотности, насыщенный водой, вскрытая мощность 5,0 метров). В технико-экономическом отношении это решение является нерациональным, сложным и длительным в производстве работ.

Грунтовые условия (ИГУ 2) площадки в основном характеризовались наличием с поверхности слоя песка крупного средней плотности мощностью 1,0 м, подстилаемого мягкопластичным суглинком мощностью 4,0 метра (рис.2).

Грунтовые условия (ИГУ 3) площадки характеризовались наличием с поверхности слоя мягкопластичного суглинка мощностью 1,0 метр, подстилаемого песком крупным средней плотности мощностью 4,0 м (рис.3).

В пределах площадки с ИГУ 1 рассмотрим призматическую сваю V = 0,73 м³, длиной 8,0 м, сечением 0,3×0,3 м. В пределах площадок с ИГУ 2 и ИГУ 3 рассмотрим призматическую сваю V = 0,346 м³, длиной 2,0 м, сечением 0,41×0,41 м.

Рис. 1. Расчетная схема для сравнения свай (ИГУ 1)

Рис. 2. Расчетная схема для сравнения свай (ИГУ 2)

Рис. 3. Расчетная схема для сравнения свай (ИГУ 3)

Несущую способность Fd, кН, висячих забивных свай всех видов и сваи-оболочки, погружаемой без выемки грунта, работающих на сжимаемую нагрузку, определяют как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под острием сваи и на ее боковой поверхности с использованием расчетных схем (рис. 1, рис. 2, рис.3) по формуле 7.8 [5]:

(1).

где г c — коэффициент условий работы свай в грунте, принимаемый гc = 1,0;

R — расчетное сопротивление грунта под острием сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.1 [5];

А — площадь опирания сваи на грунт, принимаемая равной площади поперечного сечения сваи, м2;

u — наружный периметр поперечного сечения сваи, м;

fi — расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.2 [5];

hi — толщина i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, м, мощные пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м;

гСR, гcf — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по таблице 7.3 [5] равными 1, т.к. погружение сваи осуществляется дизель-молотом.

Полученные результаты сводим в таблицу 1.

В пределах площадки с ИГУ 1 рассмотрим пирамидальную сваю V = 0,73 м³, длиной 3 м с размерами в верхнем 0,8×0,8 м и нижнем 0,1×0,1 м сечениях. В пределах площадок с ИГУ 2 и ИГУ 3 рассмотрим пирамидальную сваю V = 0,346 м³, длиной 2,6 м с размерами в верхнем 0,6×0,6 м и нижнем 0,05×0,05 м сечениях.

Согласно СП 50−102−2003 [5] несущую способность пирамидальной, трапецеидальной и ромбовидной свай, прорезающих песчаные и глинистые грунты, Fd, кН, с наклоном боковых граней iр Ј 0,025 следует определять с использованием расчетных схем (рис. 1, рис. 2, рис.3) и по формуле:

(2).

где fi, гc, R, A, hi — то же, что в формуле (1);

ui — наружный периметр сваи в i-м сечении, м;

u о, i — сумма размеров сторон i-го поперечного сечения сваи, м, которые имеют наклон к оси сваи, м;

iр — наклон боковых граней к ее оси в долях единицы, принимаемый равным iр =0,025;

Ei — компрессионный модуль деформации i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа:

Ei = Eпол / 4,0;

где Eпол — полевой модуль деформации, определенный по результатам штамповых испытаний, кПа;

4,0 — региональный коэффициент перехода от полевого к компрессионному модулю деформации;

z r — реологический коэффициент, принимаемый z r = 0,8;

Ki — коэффициент, который зависит от вида грунта и принимается для песков и супесей Ki = 0,5, для глин при числе пластичности Ip = 18, Ki = 0,7, для глин при Ip = 25, Ki = 0,9 (при 18 < Ip < 25 Ki определяется по интерполяции).

Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Сравнение несущей способности призматических и пирамидальных свай.

Сравнение свай равного объема: пирамидальной и призматической в данных инженерно-геологических условиях (ИГУ 1, ИГУ 2, ИГУ 3), позволяет сделать вывод о том, что несущая способность пирамидальных свай в 1,4 ч 2,6 раза выше, чем у призматических.

В условиях залегания с дневной поверхности более плотного слоя песка небольшой мощности (1−4 м), подстилаемого лёссовым просадочным (ИГУ 1) или мягкопластичным водонасыщенным грунтом (ИГУ 2) достигается наивысшая экономическая эффективность при применении пирамидальных свай по сравнению с призматическими.

При различных инженерно-геологических условиях (ИГУ 2 и ИГУ 3) произошло возрастание несущей способности у пирамидальных свай равного объема в 2,3 раза (ИГУ 3), а у призматических — в 4 раза при погружении концов свай в плотные грунты (ИГУ 3), что объясняется характером работы этих свай в грунте. При этом на площадке с ИГУ 2 при залегании под острием мягкопластичного водонасыщенного суглинка использование призматических свай экономически неоправданно.

Проведенный анализ не только показал возможность применения пирамидальных свай в рассмотренных грунтовых условиях, но и подтвердил их экономичность по сравнению с призматическими сваями.

По инженерно-геологическим условиям г. Пензы целесообразно применение пирамидальных свай, за исключением оснований, сложенных насыпными грунтами, бытовыми отходами, в случаях, когда на глубине менее 5 м под концами свай залегают глинистые грунты с показателем текучести IL = 0,75, а также в пучинистых грунтах, если силы пучения превышают величину вертикальной вдавливающей нагрузки на сваю. Рекомендуется пирамидальные сваи с большими углами наклона граней в фундаментах целиком располагать ниже уровня сезонного промерзания грунтов. Возможно последующее увеличение несущей способности пирамидальных свай в процессе их добивки после изготовления и набора прочности бетона.

Применение пирамидальных свай позволяет уменьшить расход бетона в 1,5ч2 раза, возможно использовать бетон более низких марок, снизить расход арматурной стали при применении свай без поперечного армирования. Сокращение расходов на транспортирование свай благодаря возможности применения обычного автотранспорта без прицепов. Сокращение продолжительности, стоимости и трудоемкости свайных работ за счет использования облегченного сваебойного и грузоподъемного оборудования.

Библиографический список

• 1. Хрянина О. В., Кошкина Н. В., Горынин А. С. К оценке эффективности пирамидальных свай // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 130−136.
• 2. Глухов В. С., Хрянина О. В., Фабрикин А. А. Экономическое обоснование применения пирамидальных свай на слабых грунтах в фундаментах под колонны // Вопросы планировки и застройки городов: материалы XXXV Всероссийской, XX Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С.136−139. ISBN 978−5-9282−0598−0.
• 3. Хрянина О. В., Кошкина Н. В., Горынин А. С. Зависимость несущей способности от уклона боковых граней пирамидальных свай // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 122−126.
• 4. Хрянина О. В., Галов А. С. Исследование зависимости несущей способности пирамидальной сваи от ее длины // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 126−130.
• 5. СП 50−102−2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М., 2004. 80 с.