Архангельск, Архангельская область, Россия
Архангельск, Архангельская область, Россия
Архангельск, Архангельская область, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Рациональным способом освоения подземного пространства для устройства подземных этажей является углубление подвалов с устройством полов. При наличии в основании торфа устройство полов является сложной технической задачей. В статье представлены способы устройства полов для подземных этажей при реконструкции зданий на заторфованной территории г. Архангельска. В торфяных грунтах применяются буронабивные, забивные и вдавливаемые сваи длиной до 8 м. Из-за длительной консолидации торфа «плавающие» полы с опиранием на грунт не применяются. Результаты численного моделирования свай по программе PLAXIS 3D позволяют получить графики "нагрузка-осадка", близкие к данным натурных испытаний статической нагрузкой.
полы, реконструкция, торф, сваи, численное моделирование
Особенностью инженерно-геологических условий г. Архангельска является практически повсеместное залегание слоя торфа толщиной несколько метров. Сверху торф перекрыт техногенными отложениями, представленными, как правило, мелким песком с включениями обломков кирпича, бетона, древесины и т.п. Торф подстилается озерно-ледниковыми отложениями малой мощности, представленными слабыми глинами. Ниже залегают ледниковые и морские суглинки, которые и служат несущим слоем для свайных фундаментов зданий.
Из-за длительной консолидации торфа, залегающего в основании зданий, пол в подвале устраивается по плитам перекрытий, опирающимся на ростверки фундаментов несущих стен, хотя до 70-х годов прошлого века пол мог устраиваться и «плавающим» - с опиранием на грунт. В технических подпольях полы отсутствуют, а по торфу обычно отсыпается слой песка небольшой толщины.
В последние годы ведется активное освоение подземного пространства существующих зданий, в том числе в историческом центре, застроенном 2-3 этажными каменными и деревянными зданиями. Подвалы и технические подполья углубляются и приспосабливаются для ведения хозяйственной деятельности, что требует технических решений по устройству полов при непрекращающихся деформациях торфа в основании. Как показывают наши наблюдения, даже спустя несколько десятилетий после возведения здания осадка торфа в его основании продолжается со скоростью 3-6 мм/год [1].
Завешивание плиты пола на забивные сваи в фундаментах зданий по причине отсутствия запаса по несущей способности, а также конструктивных и технологических ограничений, как правило, неосуществимо. Устройство «плавающих» полов обычно не устраивает собственника из-за перспективы развития осадки в течение многих лет и проблем с гидроизоляцией подвижного стыка плиты пола со сваями. Оптимальным решением при устройстве полов в подвалах реконструируемых зданий оказалось применение свай небольшого сечения длиной до 8 м.
Применялось несколько типов свай.
1. Буронабивные сваи. Сваи диаметром до 220 мм изготовлялись с помощью малогабаритного бурового станка, размещаемого в подвальном помещении после его углубления и подсыпки выравнивающего слоя песка. Сваи заглублялись ниже подошвы торфа на 4…6 м. Учитывая малую продольную устойчивость ствола и агрессивность грунтовой воды, они устраивались обычно с неизвлекаемой обсадной трубой.
При устройстве полов и фундаментов оборудования в промышленном здании весьма эффективными оказались сваи диаметром 350 мм, изготовлявшиеся по буросмесительной технологии [2]. Скважины проходились шнеком через слой торфа до кровли суглинков и заполнялись песком (рисунок 1). После чего с помощью того же бурового станка песок в скважинах и глинистые грунты ниже их забоя на глубину до 6 м перемешивались с цементным раствором, нагнетаемым через буровые штанги. К сожалению, этот метод устройства свай оказался неприемлемым при углублении подвалов зданий из-за недостаточной мощности малогабаритных станков, размещаемых в подвале.
2. Забивные сваи. Успешным оказался опыт погружения свай с помощью пневмомолота. Применялись трубчатые стальные сваи диаметром 220 мм, собираемые из отдельных секций длиной 1,5…2 м (рисунки 2, 3). Применялся молот марки СО-166 массой 400 кг. На устройство одной сваи, включая заполнение трубы бетонной смесью, затрачивалось около 2 часов. Для проведения испытаний таких свай статической нагрузкой потребовалось конструирование специальных приспособлений для передачи нагрузки от домкрата на ригели цокольного перекрытия или ростверки существующего фундамента (рисунок 4). Согласно техническому заданию проектной организации максимальная нагрузка на сваи при испытаниях составляла 300 кН.
Зависимость осадки забивных свай от нагрузки определена также путем численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 3D с учетом размеров зон деформирования околосвайного грунта и оценка изменения физико-механических свойств грунта в этих зонах. Определение несущей способности забивных свай методом численного моделирования включало последовательное решение двух задач. Первая состояла в определении эффективных горизонтальных напряжений вдоль боковой поверхности сваи и эффективных вертикальных напряжений под нижним концом сваи после забивки. Определение напряжений велось на трехмерной модели размером в плане 10х10 м, в углу которой размещалась четвертая часть ствола сваи. Горизонтальные напряжения получали путем "раздвижки" плоскостей боковой поверхности на половину поперечного сечения ствола. Вертикальные напряжения под концом сваи определяли после перемещения элементов на 1 м вниз. Величины перемещений были подобраны для удовлетворительного совпадения результатов с опытными данными различных авторов.
Вторая задача заключалась в определении несущей способности свай. Размеры трехмерной модели и свойства сваи были аналогичны предыдущей задаче. Свойства грунтов задавались с использованием модели Мора–Кулона. Для глинистых грунтов задавалось недренированное состояние. Одометрический модуль деформации Eoed назначался переменным по мере удаления от сваи, исходя из радиусов зон напряженного состояния. Коэффициент контакта «плита-грунт» Rinter принимался равным 0,67. На рисунке 5 представлены результаты испытаний трех забивных свай статической нагрузкой и численного моделирования по программе PLAXIS 3D. Из рисунка видно, что результаты численного моделирования по программе PLAXIS 3D с использованием разработанного алгоритма достаточно тесно совпадают с экспериментальными данными.
Отсюда следует, что численное моделирование с достаточной точностью можно использовать для оценки несущей способности забивных свай.
3. Вдавливаемые сваи. Это классические сваи Мега диаметром 200-250 мм длиной 5…10 м. Проблему при их устройстве, как и при статических испытаниях буронабивных и забивных свай, представляет обеспечение упора для гидравлического домкрата. И, если несколько испытуемых свай можно разместить под ригелями или ростверками существующего фундамента, то при погружении нескольких десятков свай опора отсутствует. У плит цокольного перекрытия армирование выполнено из расчета нагрузки действующей сверху, а не снизу. Кроме того, для предотвращения отклонения свай от вертикали, как правило, требуется проходка в торфе лидерных скважин.
Хорошо зарекомендовал себя способ с опережающим устройством железобетонной плиты пола (рисунок 6).
Работы выполняются в следующем порядке: углубление помещения, отсыпка слоя песка, устройство бетонной подготовки, укладка гидроизоляции, изготовление монолитной железобетонной плиты. В точках расположения свай в плиту закладываются гильзы, а после набора бетоном прочности здесь поочередно устанавливается направляющая рама с гидроцилиндром. Рама крепится к плите анкерами. Достоинствами метода являются контролируемое значение несущей способности каждой сваи и ее предварительное напряжение. Последнее достигается благодаря креплению сваи к плите под нагрузкой, то есть без сброса давления в гидроцилиндре.
При проектировании несущая способность таких свай может определяться путем численного моделирования, его алгоритм описан выше.
ВЫВОД. При наличии слоя торфа в основании реконструируемых зданий для устройства полов в подвалах могут применяться буронабивные, забивные и вдавливаемые трубчатые сваи; их несущую способность следует определять испытаниями статической нагрузкой или путем численного моделирования.
1. Невзоров А.Л., Никитин А.В., Заручевных А.В.. 2012. Город на болоте. Архангельск: САФУ.
2. Nevzorov A.L., Aksenov S.Е., Kozmin D.D. 2007. Experience of soil-cement piles structure in Archangelsk. International conference on sustainability in the cement and concrete industry: 375-380. Norway: Lillehammer.
3. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты
