Проектирование усиления фундамента буроинъекционными сваями

Проектирование усиления фундамента буроинъекционными сваями

Содержание

Введение

. Общие сведения о буроинъекционных сваях

. Экспериментальное исследование несущей способности буроинъекционных свай в основании здания одесского театра оперы и балета

Заключение

Список использованной литературы

Введение

При проведении реконструкции, ремонтных работ и реставрации зданий и сооружений старой постройки, действующих предприятий и производств, одной из главных задач, стоящих перед строителями, является определение состояния существующих несущих конструкций, способность их воспринимать действующие и дополнительные, возникающие в ходе реконструкции нагрузки и, в конечном счёте выбор, в случае необходимости способа их усиления.

В процессе эксплуатации зданий и сооружений, во многих случаях, происходят деформации несущих конструкций - стен, колонн, перекрытий, сводов. Неравномерные осадки зданий и сооружений могут быть вызваны многими факторами. В связи с этим одной из основных проблем, решаемых при реконструкции зданий является выбор рационального метода усиления оснований и фундаментов.

Наряду с известными методами усиления несущих конструкций и, прежде всего, оснований и фундаментов существующих зданий и сооружений такими, как перекладка существующих и подведение новых фундаментов, устройство обойм для укрепления кладки фундаментов, всё в больших объёмах применяют инъекционные методы усиления, в том числе буроинъекционные сваи.

1. Общие сведения о буроинъекционных сваях

Буроинъекционные сваи являются разновидностью буронабивных свай, и были разработаны в Италии в начале 50-х годов для усиления памятников истории и зданий, получивших серьёзные повреждения после второй мировой войны. Изначальное название свай «poalo radice» или «root pile» (корневидные сваи) отражало специфику их работы. Современное название свай в зарубежной литературе «micropile» (микро сваи).

Чаще всего буроинъекционные сваи применяются при невозможности установки забивных элементов, но этим сфера применения не ограничивается. Рекомендуется использовать подобные сваи для:

·        Укрепления фундаментов при превышении проектных нагрузок (надстройки, возведения мансардных помещений, утяжеление стен фасадной отделкой).

·        Возведение фундаментов здания на сложных грунтах.

·        Строительства в непосредственной близости от существующих зданий, когда имеется вероятность разрушения фундаментов при монтаже забивных свай.

·        Устранения крена строительных сооружений, вследствие неравномерной осадки фундамента.

Основное отличие буроинъекционных и буронабивных свай заключается в способе подачи инъекционного раствора непосредственно в забой. В зависимости от условий и свойств грунта, а также наличия грунтовых вод, технология модернизируется следующим образом.

Буроинъекционные сваи без применения обсадки скважины. Чаще всего такое устройство буроинъекционных свай применяется на глинистом грунте, имеющем в своём составе мало воды. Такой способ может использоваться для устройства несущих элементов, диаметр которых не превышает 18 сантиметров. Бурение производится при помощи шнековой установки, обеспечивающей выемку грунта. Диаметр забойного долота не должен превышать размер шнека более чем на 10 - 15 мм, это обеспечит дополнительную затирку стенок удаляемым влажным грунтом, и позволит повысить герметичность и прочность. В зависимости от диаметра скважины подача раствора может быть как самотёчной, так и с использованием инъекционной трубы, которая обеспечит подачу непосредственно в забой.

В непрочных склонны к оплыванию грунтах применяют обсадку металлическими трубами. В некоторых случаях используют промывку при помощи бентонитов, которые застывая после затирки шнеком в стенки, образуют надёжную обойму, выполняющую роль обсадки.

Буроинъекционные сваи выполняют с применением армирующих конструкций, при этом используют различные технологии устройства:

·        Если позволяют геологические условия армированный каркас лучше установить в скважину после извлечения бурового инструмента. При этом отдельные сегменты этого каркаса должны соединяться сваркой или другими способами, гарантирующими прочность стыка и работоспособность всей конструкции.

·        Для неглубоких свай, допускается установка армирующего каркаса после закачки инъекционной смеси. При этом сделать это необходимо до начала отвердевания раствора, не позже чем через 1 час после прекращения подачи смеси.

Подача инъекционного раствора может осуществляться через полый буровой шнек или по специальной трубе, которая может извлекаться или оставаться в толще бетона. От выбора определённой технологии будет зависеть окончательная цена буроинъекционных свай, при извлечении технологических труб конструкция будет стоить дешевле.

Подача осуществляется при помощи насосов, при этом давление должно достигать 20 - 30 атмосфер. Инъекцию необходимо выполнять до тех пор, пока бетонная смесь не станет выходить из устья скважины.

По технологии БИС объём закачанного бетона должен составлять 1,25 - 2,5 объёма скважины. Если расход составил больше этого количества, что бывает при плохом состоянии стоек из - за отсутствия обсадки, необходимо дать смеси застыть, и после этого произвести окончательную опрессовку.

Рис. 1. Схема устройства буроинъекционных свай.

2. Экспериментальное исследование несущей способности буроинъекционных свай в основании здания одесского театра оперы и балета

фундамент усиление буроинъекционный свая

Одесский театр оперы и балета - выдающийся памятник архитектуры 19 столетия построен в 1884 - 87 гг. Фундаменты здания являющиеся продолжением его стен, сложены из пильного камня известняка - ракушечника и заложены на двух уровнях. Фундаменты стен, ограждающих зрительный зал и служащих опорой стальных ферм купола, и фундаменты сценической коробки заглублены на 6,7 - 7,0 м от поверхности планировки и опираются на малопросадочный слой лёссового суглинка. За последние 40 лет осадки в этой части здания не зафиксированы. Фундаменты под служебные и вспомогательные помещения заглублены на 2,2 - 4,0 м и опираются на слой присадочного лёсса, периодическое увлажнение которого из-за неисправностей трубопроводов приводит к неравномерным осадкам фундаментов, вызывающим и деформации в конструкциях театра. За период эксплуатации на участке юго-восточной части здания осадки фундаментов наружных стен превысили 20 см.

В 1955 - 56 гг. под контролем НИИОСПа выполнено химическое закрепление более 15 тас. м³ грунтов основания одно растворной силикатизацией. Ширина силикатированных зон вдоль боковых граней всех фундаментов внутренних стен составила 0,8 - 1 м, наружных - около 2 м. Закрепление грунтов несколько приостановило, но не исключило процесс протекания осадок.

Достичь стабилизации деформаций основания представлялось возможным, путём передачи нагрузок на устойчивые грунты, залегающие ниже второго горизонта лёсса.

По результатам экспериментальных исследований, выполненных на площадке театра, было принято решение об использовании буроинъекционных свай, загубленных на 1,5 - 3,0 м в слой известняка, кровля которого находится на глубине 10,5 - 16,0 м от поверхности.

По данным изысканий в геологическом строении принимают участие: насыпной слой, представленный смесью строительного мусора и грунтов различного состава; просадочные лёссовые супеси и суглинки, суммарная мощность которых изменяется от 6,2 до 9,7 м; красно-бурый суглинок (ИГЭ-7) и глина (ИГЭ-8). Они подстилаются понтическими известняками, мощность которых достигает 12,5м.

Рис.2. Методика исследований

- штамп; II- фрагмент сваи; 1-стойка повышенной жёсткости; 2-обсадная труба; 3 - анкерная опора; 4 - цементный раствор; 5 - полиэтиленовая плёнка; 6 - грузовая платформа; 7 - груз - чугунные гири массой 2 т; 8 - бетон сваи; 9 - арматурный каркас; 10 - стальной стакан - подошва сваи; 11 - манжет; 12 - полость под подошвой сваи.

При оценке инженерно-геологических условий прежде всего необходимо было определить тип грунтовых условий по просадочности. На всех этапах изучения причин деформации здания театра, исследования характеристик просадочных грунтов, залегающих в основании театра, выполнены в лабораторных условиях по монолитам грунтов, отобранным из шурфов и скважин.

В основных нормативных документах по проектированию и изысканиям для особо ответственных зданий регламентируется необходимость уточнения показателей просадочности, полученных в лабораторных условиях полевыми методами. Программа исследований на участке театра предусматривала уточнение типа грунтовых условий путём замачивания опытного участка. Эта работа по техническим причинам не была выполнена, и вопрос о типе грунтовых условий остался спорным. Анализ материалов изысканий, оценка геологических и гидрогеологических условий участка, опыт исследований кафедры оснований и фундаментов Одесской государственной академии строительства и архитектуры ставят под сомнение наличие условий второго типа.

При отсутствии достоверных данных о типе грунтовых условий были рассмотрены два подхода к оценке возможных вариантов свайных фундаментов для условий второго и первого типов лёссовой толщи по просадочности.

В комплекс исследований включены:

) для грунтовых условий второго типа: использование в качестве несущих - инженерно геологические элементы (ИГЭ), залегающие ниже второго горизонта лёсса; определение прочности и сжимаемости понтических известняков для использования их в качестве несущих слоёв; оценка влияния влажности на их сжимаемость; определение сил трения по боковой поверхности свай в непросадочной части основания и несущей способности фрагментов свай в пределах толщи, подстилающей просадочные грунты.

)для грунтовых условий первого типа: использование в качестве несущих слоёв красно-бурой глины и верхних горизонтов известняка; определение прочности красно-бурой глины как несущего слоя, сил трения по боковой поверхности свай в просадочной части основания, несущей способности свай в пределах просадочных грунтов. Исследования были выполнены на участке №6, прилегающем к восточному фасаду здания, и №7, расположенном вдоль переулка Чайковского. При бурении скважин для установки опытных штампов, устройства буроинъекционных свай и их фрагментов были уточнены границы отдельных ИГЭ и определена влажность грунтов (рис. 2 - 4). Инженерно-геологические условия участка №6: (абсолютные отметки поверхности 42,3 - 42,9 м) характеризуются (сверху вниз): слоем насыпного грунта, мощностью до 5,5 м; далее залегает толща маловлажных лёссов и лёссовидных суглинков, мощностью 7,6 м, находящихся в твёрдом и полутвёрдом состояниях. Известняки, вскрытые бурением на глубине 15 - 19.8 м, неоднородны. В верхней части их толщи можно выделить два горизонта: ИГЭ-9 - перекристаллизованный известняк мощностью 3.5 - 4.0 м и ИГЭ-10 - известняк-ракушечник (пильный), мощность которого превышает 6 м.

Рис. 3. Определение прочностных и деформационных свойств пантических известняков штампами.

а, б - литологическое строение участков №6 и 7; в, г - графики зависимости осадки штампов от давления по подошве; д - то же от модуля деформаций от давления. Цифры на кривых - номера опытов.

Перекристаллизованный известняк на глубину 0.7 - 0.8 м ниже кровли выветрелый, и состоит из мелких конкреций известняка с прослойками продуктов выветривания. С увеличением глубины его строение изменяется: увеличиваются размеры конкреций, уменьшается толщина прослоек. Известняк-ракушечник разбит трещинами на блоки.

Отметки участка №7 на 4,5 м ниже отметок остальной территории театра. Здесь насыпной слой практически отсутствует. Лёссовые грунты мощностью 6 м характеризуются повышенной влажностью, находятся в пластичном состоянии и лишены просадочных свойств.

Перепад высотных отметок вокруг театра и особенности геологического строения участка обусловили необходимость изучения прочностных и деформационных свойств ИГЭ, слагающих основание до глубины 20 м. Исследования проведены опытными штампами и сваями в полевых условиях. Был использован дифференцированный метод изучения свойств грунтов, определяющих сопротивление буроинъекционных свай по подошве и боковой поверхности.

Для исследований была разработана конструкция стойки-штампа площадью 490 см² (см. рис.2, а, б) В процессе опытных работ отработаны методы, обеспечившие зачистку забоя скважины и сопряжение подошвы стойки-штампа с основанием. Фиксация верхней части стойки анкерной опорой с одной степенью свободы позволила исключить её горизонтальное смещение в процессе загрузки и испытаний.

Стойка опускалась в скважину диаметром 250 мм в собранном виде. Нижний её торец погружался в пластичный цементный раствор на глубину 5- 6см. Обжатие раствора обеспечило сопряжение подошвы стойки с забоем скважины. На грузовую платформу, смонтированную на стойке, укладывались чугунные гири массой 2 т. Нагрузка прикладывалась ступенями и выдерживалась до условной стабилизации. Исследования проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 20276-85 (3).

Строительные свойства понтических известняков определены испытаниями на двух участках №6 и 7: в опытах 1.1 и 6 - в толще ИГЭ -9; опытах 5.1 и 7 - в толще ИГЭ - 10 на разной глубине от их кровли.

В развитии деформаций наблюдались закономерности, присущие дисперсным породам.

Рис. 4. Результаты испытаний свай и их фрагментов вертикальной вдавливающей (а, б) и выдёргивающей (в) нагрузками. Цифры на кривых - номера опытов.

До давления 2.0 - 2.7 МПа зависимость осадки от нагрузки близка к линейной и соответствует структурной прочности породы. При повышении давления зависимость приобретает слабовыраженный нелинейный характер и в дальнейшем с ростом нагрузки наблюдается значительное нарастание осадок. Развитие деформаций определяется разрушением структурных связей, протекает неравномерно и сопровождается микро скачками. Скорость осадки при постоянном давлении периодически возрастает и снижается.

Результаты испытаний ИГЭ-9, выполненных на двух участках, имеют близкую сходимость, а ИГЭ-10 - различаются, что обусловлено повышенной влажностью породы в опыте №7.

Влажность известняка в опыте 5.1 - 0,08, а в опыте 7 - 0,12. Лёссовая толща выше ИГЭ - 8 и подстилающий слой известняка - ракушечника характеризуется длительным обводнением в результате систематических утечек из теплотрассы. В ИГЭ - 10 вода проникала через разведочные скважины, пройдённые при изысканиях в предыдущие годы, расположенные вблизи опытной выработки. Основные результаты исследований приведены в табл. 1 и на рис.3.

Полученные результаты позволяют отметить следующее.

.Предельным сопротивлением прочности известняка является давление, до которого наблюдаются деформации, нарастающие по зависимости, близкой к прямолинейной. Давления, меньшие предела прочности, вызывают в основании развитие обратимых деформаций.

.При давлении 1,0 - 2,0 МПа модуль деформации изменяется от 1400 до 140 МПа. Значительное его снижение наблюдается в процессе разрушения структурных связей. Модуль деформации известняка-ракушечника выше модуля деформации перекристаллизованного известняка, сжимаемость которого происходит вследствие сжатия прослоек, состоящих из продуктов выветривания.

.Прочность известняка-ракушечника снижается при повышении влажности.

Был выполнен также комплекс исследований по определению показателей сопротивления грунтов и горных пород по подошве и боковой поверхности буроинъекционных свай. Испытаны сваи и их фрагменты в пределах глубины непросадочной части основания.

Сваи изготавливались в скважинах диаметром 250 мм. Верхняя часть скважин укреплялась обсадными трубами при наличии неустойчивых грунтов насыпного слоя значительной мощности. Качество зачистки забоя обеспечивалось с помощью заборника - цилиндра с боковыми прорезями и выступающими ножами в нижнем торце и контролировалось фотографированием забоя и специальным измерителем наличия шлама.

Фрагменты свай изготовлены с опиранием и без опирания на забой скважины. Исключение сопротивления подошвы сваи позволило определить силы трения по боковой поверхности.

Устройство фрагментов свай с наличием зазора ниже подошвы потребовало разработки оснастки и технологии их изготовления. К нижнему торцу арматурного каркаса был приварен стальной «стакан» диаметром 200 мм, вокруг которого устроен клапан-манжет (см. рис.2, д). Это обеспечило исключение проникания раствора под дно "стакана", служащего подошвой сваи. К верхнему торцу каркаса был приварен отрезок трубы с резьбой для сопряжения с бетоноподающей трубой, состоящей из отдельных секций. Сопряжение нижнего звена с арматурным каркасом резьбовое, промежуточных - на шпонках.

Система монтировалась на всю длину и опускалась в скважину. Её положение фиксировалось у устья.

Бетонирование выполнялось в два приёма. Сначала был забетонирован участок, на 0,3 м не доходящий до резьбового сопряжения нижнего звена бетоноподающей трубы. После схватывания бетона труба отвинчивалась и через неё перед извлечением подавалась оставшаяся часть бетона. На свежий раствор устанавливалась стойка для передачи нагрузки на заглублённый участок сваи. Торец стойки изолировался от схватывания с бетоном полиэтиленовой плёнкой (см. рис.2, в, г).

При испытании свай вдавливающей нагрузкой загружение проводилось чугунными гирями массой 2 т, что обеспечило её постоянство до стабилизации деформаций при каждой ступени загружения.

Выдёргивающая нагрузка прикладывалась двумя спаренными домкратами грузоподъёмностью по 500 кН. Строго соблюдалось основное требование к проведению испытаний - постоянство давления в системе.

Перемещения измерялись струнными прогибомерами; контрольные - путём измерения осадок штангенглубиномером и высокоточным нивелированием.

К непросадочным относятся грунты, залегающие ниже ИГЭ-6. Для получения результатов сопротивления сваи нагрузкам были испытаны фрагменты двух свай на участке №6 -1.2 с опиранием подошвы на перекристаллизованный известняк и 5.2 с опиранием на известняк-ракушечник. Верх свай совпадает с кровлей красно-бурого суглинка ИГЭ-7 (рис.4).

В опыте 1.2 выполнено замачивание основания. Через дренажные трубки, забетонированные в свае, и специальное устройство башмака в её подошве была обеспечена подача воды в основание для увлажнения зоны вокруг пяты. Замачивание, длившееся 4 сут. с расходом воды 0,36ма, не вызвало увеличения осадки.

На участке №7 проведены два испытания -8.1 и 8.2 (см. рис. 4) для определения сопротивления трению по боковой поверхности фрагмента сваи, изготовленной с зазором под пятой. Её верхняя часть расположена в ИГЭ-9 (3,55 м), а нижняя в ИГЭ-10 (2,5 м) с повешенной влажностью. Испытания выполнялись через 10 сут. после изготовления (8.1) и через 22 сут. после “отдыха" (8.2). В испытании 8.2 сопротивление по боковой поверхности оказалось на 32% выше, а в целом на 11% ниже чем на участке №6. Результаты испытаний приведены в табл.2 и на рис. 4.

В непросадочной части основания нарастание осадки протекало неравномерно и сопровождалось чередующимися участками "зацепления", на которых наблюдаются незначительное приращение осадок и "микросрывы", которые завершаются "срывом" сваи, характеризующим разрушение грунта по боковой поверхности. Это влечёт за собой передачу нагрузки на подошву сваи, вызывая разрушение структуры залегающих под ней известняков. В течение "отдыха” фрагмента сваи, доведённого до "срыва", отмечено восстановление связей по боковой поверхности (опыт 8.1 и 8.2).

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

К просадочной части основания отнесены ИГЭ 4; 5 и 6. В её пределах выполнены испытания свай 3; 4.1 и повторно 4.2. Сопротивление по боковой поверхности определено по результатам испытаний фрагментов свай 1.3; 2.2; 2.3 и сваи на выдёргивание 4.3.

Сваями (опыт 3 и 4) прорезаны просадочные грунты. Несущим слоем сваи (опыт 3) принят известняк (ИГЭ-9), а сваи (опыт 4) - красно-бурая глина (ИГЭ-8). Повторное испытание этой сваи (4.2) после "отдыха" показало незначительное повышение её несущей способности (см. рис.4 , ж). Фрагмент сваи (опыт 1.3) изготовлен в пределах просадочных грунтов. Испытание проведено при природной влажности грунтов на вертикальную выдёргивающую нагрузку. Участок сваи (опыт 2.2) выполнен с зазором между её пятой и головой. Испытание проведено вертикальной вдавливающей нагрузкой в грунтах природной влажности. По окончании опыта основание было замочено через дренажные скважины, пройденные вокруг сваи в соответствии с рекомендациями приложения Г. ГОСТ 5686-94 [4]. После замачивания свая была испытана вертикальной выдёргивающей нагрузкой (опыт 4.3).

По результатам испытаний сваи (опыт 4) на вдавливающую и выдёргивающую нагрузки определена прочность красно-бурой глины (ИГЭ-8), соответствующая давлению, при котором начинается процесс развития необратимых деформаций. Оно определено по нагрузке, соответствующей концу прямолинейной зависимости на графике S =f(р) при испытании на вдавливающую нагрузку, уменьшенной на величину выдёргивающей нагрузки и массы сваи.

Фактические осадки фрагментов свай получены путём вычитания упругого сжатия стойки от зафиксированных общих деформаций, измеренных на уровне грузовой платформы. По результатам испытаний построены графики зависимости осадки во времени и осадки от нагрузки (табл. 3, 4, рис 4).

Результаты определения сопротивления грунтов трению по боковой поверхности свай в пределах просадочной толщи приведены в табл. 3, а результаты определения несущей способности и параметров сопротивления свай по подошве и боковой поверхности, изготовленных в пределах залегания просадочных грунтов - в табл. 4.

Заключение

Анализ приведённого примера позволяет сделать следующие выводы:

. При проектировании усиления фундамента буроинъекционными сваями следует стремиться к минимализации осадки усиленных фундаментов, а также максимально достоверной оценке осадки путём применения современных моделей механики грунтов и их числовых реализаций.

. Прочность буроинъекционных свай необходимо определять с учётом отпора грунта. Наличие непосредственно под подошвой ростверка грунтов с относительной высокими механическими характеристиками может приводить к увеличению напряжений в свае.

Список использованной литературы

1. Аскалонов В. В. Силикатизация лёссовых грунтов. - М.: Стройиздат, 1959. - 76с.

. Колесников Л. И. Экспериментальное исследование несущей способности буроинъекционных свай в основании здания одесского театра оперы и балета // Основания и механика грунтов - 2000 - №5 с 23 - 29.

3. <http://base1.gostedu.ru/51/51245/>

. http://pro-fundament.com/buroinekcionnye-svai-bis/#!prettyPhoto/0/ <http://pro-fundament.com/buroinekcionnye-svai-bis/>