УДК 624.154.04:624.156.04]:624.131.213
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНĐ ДОСĐДЖЕННЯ ВЗАЕМОДĐЇ ПАЛЬОВО-
ПЛИТНИХ ФУНДАМЕНТĐВ З ОСНОВОЮ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ОСНОВАНИЕМ
EXPERIMENTAL RESEARCH OF INTERACTION BETWEEN PILED-
RAFT FOUNDATION AND THE BASE
Сєрнов В.А., к.т.н. (Бiлоруський національний технічний університет, м.
Мiнськ)
Сернов В.А., к.т.н. (Белорусский национальный технический университет, г.
Минск)
Sernov V.A., candidate of technical sciences, (Belorussian National Technical
University, Minsk)
В статтi приведенi результаты модельових дослiджень пальово-плитних
фундаментiв. Установленi основнi фактори, впливаючi на опiр грунту
пiд фундаментною плитою.
В статье приведены результаты модельных исследований свайно-
плитных фундаментов. Установлены основные факторы влияющие на
сопротивление грунта в основании фундаментной плиты.
The results of model test of piled-raft foundations are given in the article. The
basic factors which affect the soil resistanse in the base of raft are ascertained.
Ключові слова:
Паля, плита, фундамент, модель
Свая, плита, фундамент, модель
Pile, raft, foundation, model
Введение. Традиционно свайные фундаменты проектируются в случаях
залегания у поверхности или в пределах сжимаемой толщи основания слабых
грунтов. В этих случаях сваи передают нагрузку от сооружения на заглуб-
ленные прочные слои основания. Для упрощения расчетных схем сопротив-
лением грунта в основании ростверка пренебрегают. Предполагается, что вся
нагрузка от сооружения передается на основание группой свай. В соответст-
вии с действующими нормативными документами несущая способность
свайного фундамента определяется как сумма несущих способностей входя-
щих в его состав свай. Осадка свайного фундамента определяется как для
условного массива, предполагая, что грунт межсвайного пространства оседа-
ет вместе со сваями.
В настоящее время наметилась тенденция увеличения этажности зданий.
В связи с этим возрастают нагрузки, передаваемые на основание и осадки
сооружений. Эти факторы приводят к более широкому применению свайных
фундаментов, даже при залегании у поверхности сравнительно прочных
грунтов. Применение свай в указанных условиях заставило искать новые пу-
ти повышения эффективности свайных фундаментов, одним из которых яв-
ляется уточнение их расчетных схем и методов расчета, позволяющих более
эффективно использовать строительные свойства оснований. В этих случаях,
как показали многочисленные экспериментальные исследования, при нали-
чии контакта ростверка с грунтом часть внешней нагрузки передается на ос-
нование через его подошву.
Анализ проведенных ранее исследований и постановка задач. Впер-
вые вопрос об учете сопротивления грунта в основании плиты ростверка был
рассмотрен К.И. Добровольским (1935) [1]. В дальнейшем, начиная с 1937г.,
В.Н. Голубковым [2, 3, 4], В.А. Юдиным [5], Д.Е. Аршакуни[6],
А.А.Бартоломеем [7] и др. было проведено большое количество натурных
испытаний фрагментов свайно-плитных фундаментов в разных грунтовых
условиях. Исследования показали, что при взаимодействии плиты с основа-
нием несущая способность фундамента возрастает от 33 до 137% в зависимо-
сти от длины свай и площади плиты, а осадка значительно снижается. Этот
факт противоречит традиционному предположению, что межсвайный грунт
оседает вместе со сваями и неспособен воспринимать нагрузку от плиты. Ис-
следования траектории движения частиц грунта в основании забивных свай и
ростверка, проведенные В.А. Кондрашовым [8] в 70-х годах прошлого столе-
тия, показали, что при осадке группы свай без ростверка деформации меж-
свайного грунта происходят лишь в непосредственной близости от боковых
поверхностей свай и под их нижними концами. Грунт межсвайного про-
странства оседает при включении в работу ростверка. Эпюры деформаций
грунта под ростверком и фундаментом на естественном основании аналогич-
ны. Данные, полученные В. А. Кондрашовым, хорошо согласуются с иссле-
дованиями Л.Д. Козачка [9]. Экспериментально установлено, что распреде-
ление напряжений в основании ростверка аналогично фундаменту на естест-
венном основании. Данные выводы подтверждаются результатами исследо-
ваний деформаций грунта межсвайного пространства глубинными марками в
лаборатории свайных фундаментов НИИОСПа [10] и В.А. Юдина [5].
Проведенный анализ испытаний групп свай с несущими ростверками ста-
тическими нагрузками выполненных, до настоящего времени разными авто-
рами на различных строительных площадках показал, что при включении
ростверка в работу фундамента достигается значительный экономический
эффект. Однако, авторы проведенных испытаний не задавались целью изу-
чить закономерности взаимодействия ростверка с основанием и сваями.
В связи с этим, главная задача данной работы: экспериментально устано-
вить основные факторы влияющие на взаимодействие фундаментной плиты с
основанием.
Исследование моделей свайно-плитных фундаментов. Для оценки
взаимодействия свайно-плитных фундаментов с основанием были выполне-
ны модельные и натурные исследования. В лаборатории и на полигоне ка-
федры «Геотехника и экология в строительстве» БНТУ проведены три серии
исследований маломасштабных и крупномасштабных моделей. Первая серия
исследований носила преимущественно качественный характер и направлена
на изучение деформаций межсвайного грунта при включении плиты в работу
фундамента. Исследовались модели призматических свай с поперечным се-
чением 20х20 мм и длиной 150 и 300 мм. Ширина ростверка — 150мм и
270мм, соответственно для групп свай с шагом а=3d и а=6d. Опыты проводи-
лись в грунтовом лотке с передней прозрачной стенкой размерами
1100х600х250 мм (рис. 1).
0,0
Эпюра деформаций грунта
межсвайного пространства
2,5
20,69
5,0
14,27
7,5
12,21
10,0
10,26
12,5
8,72
15,0
7,19
17,5
6,09
20,0
5,53
22,5
4,22
25,0
2,52 Эпюра деформаций грунта
под сваей
27,5
2,27
20,69
30,0
0,61
14,15
32,5
5,82
35,0
3,84
37,5
2,89
индикационные полоски через 50 мм
группа свай с высоким ростверком
группа свай с несущим ростверком
Рис. 1. Опытная установка
Рис. 2. Деформации грунта основания
свайно-плитного фундамента
Исследования показали, что при загружении группы свай без контакта
плиты с основанием деформации в межсвайного пространстве происходят
лишь непосредственно у боковой поверхности свай. Таким образом, грунт,
уплотненный между сваями, не оседает вместе с ними и способен восприни-
мать часть нагрузки от плиты.
При включении плиты в работу под ее подошвой возникают напряжения,
и грунт деформируется как под фундаментом на естественном основании. С
глубиной эти напряжения затухают и на расстоянии h≈2В (где В — ширина
плиты) полностью рассеиваются. Эпюры деформаций грунта в межсвайном
пространстве и ниже уровня свай, построенные по результатам исследований
(рис. 2), аналогичны полученным Л.Д. Козачком [9] и В.А. Кондрашовым [8].
Вторая серия лабораторных исследований выполнена для оценки влияния
плиты на несущую способность и деформативность фундамента. Для реше-
ния этой задачи в лотке размерами 650×650×1100 мм, заполненном песком
средней крупности (рис. 3), изготовлены модели забивных свай и свайных
фундаментов (рис. 4). Нагрузки прикладывались домкратом и измерялись
динамометрами ДОСМ3-01, ДОСМ3-03, ДОСМ3-05. Осадки фиксировались
индикаторами часового типа с ценой деления 0,01мм. Результаты испытаний
приведены в табл. 1.
Рис. 3. – Стенд для исследования
Рис. 4. – Модель свайного
моделей (М1:10)
фундамента
Из таблицы 1 видим, что несущая способность свайно-плитного фунда-
мента значительно выше, чем группы свай без контакта плиты с грунтом.
При одинаковых нагрузках и количестве (4 шт.), осадка низкого ростверка с
длинами свай 100 … 200мм гораздо меньше в сравнении с высоким, даже при
длинах свай 400мм. Кроме сопротивления грунта в основании плиты иссле-
довалось взаимодействие свай в группе. Установлено, что при уменьшении
шага с 6 до 4,25d несущая способность сваи в группе возросла на 30%, а при
уменьшении – до 3d на 70%. В песчаных однородных грунтах при увеличе-
нии длины свай в 4 раза несущая способность фундамента увеличивается в 2
раза. Таким образом, в однородных грунтах увеличение количества коротких
свай более эффективно, чем увеличение их длины.
Третья серия исследований выполнена на полигоне кафедры «Геотехника
и экология в строительстве» БНТУ. Стенд представляет собой упорную ме-
таллическую балку, которая соединяется с помощью крепления с оголовками
четырех металлических двутавровых свай. Исследовались крупномасштаб-
ные модели фундаментов (М 1:5) из буронабивных свай. Размеры ростверка
500х500 мм. Диаметр свай 60мм. Длина свай 1000мм и 2000мм. Испытаны
одиночные сваи и группы, состоящие из 4-х, 6-ти и 9-ти свай с высокими
(рис. 5) и низкими ростверками (рис. 6).
Таблица 1
Результаты испытаний маломасштабных моделей
Несущая спо-
Несущая спо-
собность груп-
собность, кН
Дли-
Кол-
пы свай, кН
на
во
L/d
А
высо-
низ-
К
свай,
свай,
р/Ас
р
Кг
кий
кий
рост-
штам
мм
шт.
рост-
рост-
верка
па
верк
верк
4
16,0
4,0
17,6
13,6
4,4
1,00
100
5
5
12,8
6,5
30,4
23,9
23
4,67 1,30
9
7,1
15,4
44,0
28,6
2,86 1,71
4
16,0
4,4
16,0
11,6
3,6
1,00
200
10
5
12,8
6,4
28,4
22,0
23
4,4
1,16
9
7,1
17,4
39,3
21,9
2,25 1,76
4
16,0
6,1
21,8
15,7
3,57 1,00
300
15
5
12,8
10,0
37,2
27,2
23
3,72 1,31
9
7,1
24,5
58,1
33,6
2,37 1,79
4
16,0
8,7
27,4
18,7
3,14 1,00
400
20
5
12,8
13,8
41,2
27,4
23
2,98 1,27
9
7,1
27,4
58,2
30,8
2,12 1,40
Результаты испытаний моделей (рис. 7, 8) показывают, что плита оказы-
вает значительное влияние на несущую способность фундамента. Так при
осадке в 20мм при включении плиты в работу несущая способность фунда-
мента увеличивалась на 18-138% в зависимости от длины и шага свай.
Рис. 5. – Испытание группы свай
Рис. 6. – Испытания группы свай с вы-
с низким ростверком
соким ростверком
Рис. 7 – Результаты испытаний крупномасштабных моделей свайно-плитных фун-
даментов из свай длиной 1000мм
Рис. 8 – Результаты испытаний крупномасштабных моделей
свайно-плитных фундаментов из свай длиной 2000мм
Заключение. Анализ результатов модельных исследований свидетельст-
вуют, что на долю сопротивления плиты в составе фундамента влияют сле-
дующие факторы: вид свай, геометрические параметры фундамента, величи-
на осадки и грунтовые условия в основании свай и плиты.
Коэффициент взаимодействия плиты Кр возрастает при увеличении шага
буронабивных свай от 3d до 6d. У забивных свай максимальное значение Кр
зафиксировано при шаге 4,5d, а при дальнейшем увеличении шага до 6d про-
исходит его снижение. При увеличении длины свай в однородных грунтах,
независимо от их вида, доля передаваемой плитой нагрузки снижается.
Взаимодействие группы свай и плиты с основанием зависит от способа
изготовления свай. При забивке свай происходит уплотнение грунта в меж-
свайном пространстве и по внешнему контуру фундамента. Доля нагрузки
воспринимаемой плитой в составе группы забивных свай оказалась значи-
тельно выше, чем в составе буронабивных свай при схожих относительных
значениях L/B и L/d. Это связано с улучшением прочностных и деформаци-
онных характеристик грунта при его уплотнении в результате забивки свай.
Исследования моделей групп забивных свай в песчаных грунтах выявили
повышение несущей способности сваи в составе фундамента по отношению к
одиночной. С увеличением количества свай в группе и уменьшением их шага
средняя несущая способность сваи в группе возрастала.
1. Далматов Б.И. Проектирование свайных фундаментов в условиях слабых
грунтов / Б.И. Далматов, Ф.К. Лапшин, Ю.В. Россихин. – Л. : Стройиздат, 1975. – 240
с. 2. Голубков В.Н. Исследование процесса формирования зоны деформации в
основаниях одиночных свай / В.Н. Голубков, Ю.Ф. Тугаенко, Б.О. Хуторянский //
Республ. межвед. науч.-техн. сб. – Киев : Будiвельник, 1971. – Вып. 4: Основания и
фундаменты. – С. 9–13. 3. Голубков В.Н. Исследование характера развития осадок
свайных фундаментов из пирамидальных свай и деформаций их оснований / В.Н.
Голубков, А.И. Догадайло // Республ. межвед. науч.-техн. сб. – Киев : Будiвельник,
1979. – Вып. 12 : Основания и фундаменты. – С. 13–17. 4. Голубков В.Н.
Экспериментальные исследования формирования объема зоны деформации в
основании фундаментов из пирамидальных свай / В.Н. Голубков, Ю.Ф. Тугаенко,
В.С. Марченко, Ю.Ф. Суходоев // Республ. межвед. науч.-техн. сб. – Киев :
Будiвельник, 1976. – Вып. 9 : Основания и фундаменты. – С. 25–30. 5. Юдин В.А.
Экспериментальные исследования работы одиночных свай и свайных фундаментов из
пирамидальных свай совместно с их основаниями : автореф. … дис. канд. техн. наук :
05.23.02 / В.А. Юдин; Одесский инж.-строит. инст. – Одесса, 1975. – 29 с.
6. Аршакуни Д.Е. Влияние низкого ростверка на повышение сопротивления
одиночных свай нагрузке в слабых грунтах / Д.Е. Аршакуни, И.М. Нагорных //
Научно-технический журнал. Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1975.
— № 6. — С. 8–9. 7. Бартоломей, А.А. Прогноз осадок свайных фундаментов / А.А.
Бартоломей, И.М. Омельчак, Б.С. Юшков. – М. : Стройиздат, 1994. — 384 с.
8. Кондрашов, В.А. Исследование деформаций грунта основания моделей свайных
фундаментов методом фотофиксации траектории движения грунтовых частиц / В.А.
Кондрашов // Основания, фундаменты и подземные сооружения : Труды пятой конф.
молодых науч. сотрудников, Москва, 9–10 июня 1970 г. – М., 1970. — С. 239–246.
9. Козачок, Л.Д. Исследование распределения вертикальных напряжений в основании
кустов висячих свай с низким ростверком: дис. … канд. техн. наук : 05.23.02 / Л.Д.
Козачок. – Л., 1979. – 174 л. 10. Бахолдин, Б.В. Плитно-свайные фундаменты / Б.В.
Бахолдин // Научно-технический журнал. Основания, фундаменты и механика
грунтов. – М, 2003. – №5. – С. 24–27.
|
