Расчет и проектирование свайно-плитного фундамента с применением грунтоцементных свай

Малинин П.А.
Время на прочтение: 7 минут

В статье рассмотрены вопросы проектирования и расчета осадки свайно-плитных фундаментов с применением технологии струйной цементации грунтов.

1. Введение.

В свайно-плитном фундаменте часть нагрузки воспринимает плита, опирающаяся на грунт, а другую часть нагрузки воспринимают сваи, передающие нагрузку на нижележащие слои грунта.

Одной из технологией, позволяющей выполнять устройство свай, является технология струйной цементации грунтов.

Сущность технологии заключается в перемешивании грунтов струей цементного раствора. В результате в грунтовом массиве формируются сваи из нового материала – грунтоцемента, обладающего высокими деформационными характеристиками.

В отличие от буронабивных свай технология позволяет устраивать сваи в обводненных грунтах без использования обсадных труб.

Другим преимуществом является возможность выполнения работ в стесненных условиях городских строительных площадок.

Кроме того, технология позволяет выполнять комбинированные сваи, когда верхняя часть состоит из железобетонной сваи, а нижняя – из грунтоцементной сваи.

Фото 1. Реконструкция здания в Москве.

Существующие методики расчета комбинированных свайно-плитных фундаментов предусматривают применение железобетонных свай, обладающих жесткостью на много превышающую жесткость грунтового основания. В отличие от железобетонных свай грунтоцементные сваи обладают более низкой жесткостью, что предполагает рассматривать грунтоцементную сваю, как колонну, сформированную из укрепленного (сцементированного) грунта.

Жесткость подобной сваи сравнима с жесткостью грунтового основания, поэтому для расчета таких свай может быть применен иной подход – определение осадки фундаментной плиты на укрепленном основании.

В настоящей работе приводится сопоставление методики расчета свайно-плитного фундамента с применением нормативных российских методик, а также методики, основанной, на укреплении грунта грунтоцементными колоннами.

Статья содержит ряд примеров применения грунтоцементных свай при устройстве свайно-плитных фундаментов.

2. Устройство свайно-плитного фундамента при реконструкции здания.

При реконструкции зданий для сохранения исторически-архитектурного облика города очень часто применяют следующее решение. Внутренняя часть здания демонтируется и оставляется только один фасад, поддерживаемый металлическим каркасом из двутавров. Такое решение применено при реконструкции одного из исторических зданий в городе Москва (фото 1). Проектом предусмотрено возведение 7-и этажного здания с 2-х этажной подземной автостоянкой.

В процессе разработки грунта котлована были зафиксированы осадки фасадной стены здания. По результатам дополнительных геологических изысканий обнаружены рыхлые пески средней крупности с модулем деформации 12-18 МПа. Ниже песков залегают глины тугопластичной и полутвердой консистенции с модуль деформации – 18-26 МПа.

Заказчиком было принято решение об устройстве свайно-плитного фундамента. Рассматривался вариант применения буронабивных свай и вариант грунтоцементных свай по технологии струйной цементации грунтов.

Стоит отметить, что на момент принятия решения генподрядчиком уже был выкопан котлован глубиной 4,0 м и установлен первый ярус распорной системы из труб. Это обстоятельство сыграло решающую роль при принятии решения в пользу технологии струйной цементации грунтов, т.к. при производстве работ по устройству грунтоцементных свай может быть применена буровая установка с короткой мачтой, позволяющей выполнять работы под распорными трубами.

Неравномерная нагрузка от здания на грунтовый массив составляет 18-44 тс/м2. Расчет осадки фундаментной плиты проводился в программе GeoSet.

Сущность методики, заложенной в программе GeoSet, заключается в следующем. В программе задаются жесткость каждой сваи и грунтов в основании плиты, которые можно вычислить по нормативным методикам. Из решения системы уравнений находится осадка свайно-плитного фундамента.

Преимущество программы в том, что она позволяет рассчитывать осадку свайно-плитного фундамента с неравномерной сеткой расположения свай, а также вычислять усилия в каждой свае.

Результаты расчета показали, что максимальная осадка фундаментной плиты на естественном основании (без свай) составила 17,6 см, минимальная осадка – 6,2 см, относительная разность осадок – 0,0033. Неравномерная осадка здания обусловлена дополнительной нагрузкой от сохраняемого фасада здания.

Как было указано выше, для снижения крена и максимальных осадок здания было принято решение об устройстве дополнительных грунтоцементных свай под фундаментной плитой.

В нагруженной части здания, примыкающей к сохраняемому фасаду, сваи устраивали с шагом 3,0 м, в менее нагруженной – с шагом 2,0 м(рис.1). Длина свай принята равной 10,2 м.

Диаметр грунтоцементных свай, выполняемых по однокомпонентной технологии Jet1, в песчаных грунтах принят равным 750 мм, в глинистых – 600 мм. Модуль деформации грунтоцементных свай в песчаных грунтах принят равным 3000 МПа, в глинистых грунтах – 1000 МПа.

По результатам расчетов в программе GeoSet максимальная осадка здания составляет 5,7 см, минимальная осадка – 3,2 см, относительная разность осадок – 0,0007 (рис. 2).

Рис.1. План свайного поля.

Рис. 2. Результаты расчета осадки здания и нагрузки на сваи в программе GeoSet.

Общая нагрузка распределилась следующим образом: 57% приходится на сваи, 43% — на фундаментную плиту.

Кроме того, расчет осадки здания выполнялся по методике, сущность которой заключается в том, что грунтоцементные сваи и грунт рассматриваются как грунтовый массив с
осредненным (эффективным) модулем деформации.

где E_p , E_g – модули деформации свай и грунта;

S_p , S – площади всех свай и общая площадь плиты.

По результатам расчетов максимальная осадка здания составила 6,8 см, минимальная осадка – 1,6 см, относительная разность осадок – 0,0015. Несмотря на то, что в этой методике не учитывается неравномерность расположения свай, результаты расчета по методу осреднения характеристик сопоставимы с результатами расчета свайно-плитного фундамента.

Прогнозируемая величина максимальной осадки свайно-плитного фундамента по результатам расчетов составила 5,7-6,8 см, что в 2 раза ниже предельной максимальной осадки 15,0 см, принятой по нормативным документам, что гарантирует безопасную эксплуатацию здания.

Из-за стесненности площадки оборудование (высоконапорный насос, миксерную станцию для приготовления цементного раствора и силос для цемента) пришлось разместить на борту котлована на площадке размерами 8,0х8,0 м. Работы по устройству грунтоцементных свай выполнялись из котлована глубиной 6,8 м.

Для контроля качества работ выполнены опытные сваи с последующим определением диаметра свай и определением прочности на сжатие выбуренного из свай керна. Диаметр грунтоцементных свай в песчаных грунтах составил 750-900 мм (фото 2). По результатам испытаний прочность грунтоцемента на сжатие составила 5-12 МПа, что превышает проектные характеристики.

Производительность устройства грунтоцементных свай длиной 10,2 м составила 6-8 свай в смену.

Фото 2. Грунтоцементная свая.

2. Проектирование свайно-плитного фундамента из комбинированных свай.

В настоящее время на Аккермановском руднике ведется строительство цементного завода. Первоначально для силоса сырьевой муки по проекту предполагался свайно-плитный фундамент из железобетонных забивных свай 30х30 см длиной 6,0 м.

Количество свай – 300 шт. Размер плиты – 18,8х18,8 м, толщина – 3,0 м. Общая нагрузка от силоса и плиты – 25 139 тс (71 тс/м2).

По предварительным изысканиям геология представляет собой глину, которую подстилает известняк. По проекту сваи должны были опираться на известняк. Но после начала бурения лидерных скважин для погружения свай оказалось, что кровля известняка имеет кратерообразный характер с пиками и впадинами, вследствие чего большая часть свай не доходят до кровли известняка, являющимся несущим слоем. Это может привести к ненормативным осадкам и крену силоса.

С целью снижения осадок до безопасного уровня было предложено в основании железобетонных свай выполнить грунтоцементные сваи по технологии струйной цементации грунтов (рис. 3).

Рис. 3. Разрез свайно-плитного фундамента. 1 – глина, 2 – известняк.

Моделирование напряженно-деформированного состояния свайно-плитного фундамента и грунтового массива выполнено с помощью метода конечных элементов в трехмерной постановке.

Дискретизацию расчетной области выполняли треугольными элементами с линейной аппроксимацией перемещений в области элемента. Конечно-элементная модель расчетной области представлена на рисунке 4.

Согласно геологическим изысканиям модуль деформации глины составляет 15 МПа, известняка – 1000 МПа.

Диаметр грунтоцементных свай по технологии Jet1 в глинистых грунтах принят равным 500 мм, модуль деформации грунтоцементных свай – 500 МПа.

Учет свай выполнялось путем задания расчетного слоя с осредненным модулем деформации по правилу механической смеси.

В расчетной модели было задано 4 слоя. Осредненные модули деформации слоев приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основная сложность заключалась в моделировании рельефа известняка, имеющего кратерообразный характер. В соответствие с проведенными дополнительными инженерно-геологическими данным на расчетную область нанесли точки, соответствующие отметкам кровли известняка, затем эти точки соединили поверхностями.

Выполненные расчеты показали, что максимальная осадка фундаментной плиты составила 1,8 см, что ниже принятого допустимого значения 5,0 см (рис. 5). Величина крена 0,0005 также не превышает допустимое значение 0,0020.

Рис. 4. Фрагмент конечно-элементной модели.

Рис. 5. График распределения осадки в грунтовом массиве, м.

На первом этапе выполняли устройство грунтоцементных свай по технологии струйной цементации грунтов (фото 3).

Скважины бурили до кровли известняка для установления его фактической отметки и на 1,0 м заглублялись в слой известняка. Затем производился подъем монитора до отметки на 1,0 м выше отметки низа железобетонных свай.

В процессе устройства грунтоцементных свай также были выявлены многочисленные прослойки известняка в слое глины, что усложняло бурение скважин.

На втором этапе производили забивку железобетонных свай с погружением их в тело грунтоцементных свай на 500 мм. Забивку свай производили с устройством лидерных скважин диаметром 250 мм.

Для контроля качества из опытных грунтоцементных свай был отобран керн и определены деформационные и прочностные характеристики грунтоцемента. Средняя прочность на сжатие составила – 2,5 МПа, модуль деформации – 543 МПа, модуль упругости – 1082 МПа. Результаты испытаний подтвердили заданные в проекте значения.

Фото 3. Устройство грунтоцементных свай.

3. Устройство свайно-плитного фундамента с применением грунтоцементных свай Jet2

В Нижний Новгороде при строительстве жилого здания также было принято решение о применении свайно-плитного фундамента из грунтоцементных свай. Размер фундаментной плиты – 21,0×43,9 м.

Основание фундамента здания сложены слабыми лессовыми грунтами (супеси, суглинки), склонными к большим просадкам при замачивании под действием давления, передаваемого фундаментной плитой. Физико-механические свойства грунтов представлены в таблице 2.

Таблица 2

С целью снижения осадок до безопасного уровня предложено выполнить устройство грунтоцементных свай в основании фундаментной плиты. Сваи устраиваются по технологии Jet2, диаметр свай в суглинках принят равным 1,5 м.

Расчет осадки свайно-плитного фундамента выполнялся в программе GeoSet.

Оптимальная длина свай, полученная по результатам расчетов, составляет 28,0 м. Сваи устраиваются с шагом 4,3 м, в местах лифтовой шахты запроектировано дополнительно 4 сваи. Общее количество свай – 42 шт.

Модуль деформации грунтоцементных свай в глинистых грунтах – 1000 МПа.

В соответствие со схемой нагружения вычислена равнодействующая сила, равная 54 418 тс (59 тс/м2). Анализ схемы нагружения показал, что эксцентриситет равнодействующей силы составил по х – 0,46 м, по y – 0,04 м.

Средняя жесткость свай, вычисленная в программе, составляет Es = 6209 тс/м, жесткость грунтового основания – C = 59 тс/м2.

По результатам расчетов средняя осадка здания составила 17,0 см (рис. 6), что не превышает допустимую осадку для зданий на плитных фундаментов – 22,5 см.

Относительная разность осадок составила 0,003.

Ниже представлена фотография объекта на этапе откопки грунтоцементных сваи и возведения фундаментной плиты (фото 4).

Рис. 6. Осадка свайно-плитного фундамента.

Фото 4. Свайно-плитный фундамент с грунтоцементными сваями. Устройство фундаментной плиты.