Отправить сообщение, заявку, вопрос

Зарегистрироваться для участия в конференции

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 72 , авторов - 223 ,
всего информационных продуктов - 1983 , из них
статей журнала - 451 , статей базы знаний - 58 , новостей - 1432 , конференций - 2 ,
блогов - 7 , постов и видео - 23 , технических решений - 9

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
11 октября 2016 года

Сезоннопромерзающие пучинистые грунты – экономное основание для фундаментов малоэтажных зданий

Проводимые в институте АО «ТПИ Омскгражданпроект» и ООО НИПСФ «АБИК» с 1976 года расчетно-теоретические, натурные и лабораторные исследования взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с пучинистыми грунтами под их подошвой и боковой поверхностью с различными подземными и надземными сооружениями позволили получить за сорок лет исследований новые проектно-конструкторские и технологические решения. В результате применения данных технологий стоимость строительства фундаментов снижается в 3-4 раза. В статье это показано на конкретных примерах.

Абжалимов Раис ШакировичСоветник генерального директора АО ТПИ «Омскгражданпроект», член JSSMGE, к.т.н.

Введение

С 1965 года в Омске на стройках нефтехимии началось внедрение свайных фундаментов на морозных грунтовых основаниях. В настоящее время они применяются повсюду в суровых природно-климатических условиях России, независимо от этажности зданий и надземных сооружений, при строительстве подземных резервуаров для хранения воды, котельных, подстанций, эстакад и т.п. С одной стороны, это вызвано отсутствием законченных расчетно-теоретических, натурных и лабораторных исследований взаимодействия фундаментов сооружений с пучинистыми грунтами под их подошвой и боковой поверхностью. А это необходимо для реализации указаний СП 22.13330.2011. «Основания зданий и сооружений» [1], который допускает назначить «…глубину заложения наружных фундаментов независимо от расчетной глубины промерзания, если: специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную надежность сооружения». С другой стороны, это связано и с отсутствием заинтересованности региональных и муниципальных органов власти при финансировании строек из федерального бюджета. Да и сами проектные и строительные организаций не стремятся к снижению стоимости и трудоемкости строительства из-за отсутствия законодательной базы для обязательного применения инновационных технологий в строительном комплексе [2].

 

Инновационные технологии при устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтовых основаниях

Проводимые в институте АО «ТПИ Омскгражданпроект» и ООО НИПСФ «АБИК» с 1976 года расчетно-теоретические, натурные и лабораторные исследования взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с пучинистыми грунтами под их подошвой и боковой поверхностью с различными подземными и надземными сооружениями позволили получить за сорок лет исследований новые проектно-конструкторские и технологические решения, защищенные 17 патентами на изобретения и полезные модели и одним научным открытием [3,4]. Полученные проектно-конструкторские и технологические решения сертифицированы в виде 5 инновационных технологий на соответствие их действующим строительным правилам и нормам, ГОСТам и стандартам, а также получены Свидетельства от ФГУП «Стандартинформ» об их добровольной регистрации.

 

Использование сезоннопромерзающего пучинистого грунта в качестве основания для фундамента 3-х этажного многоквартирного жилого дома из сборных железобетонных конструкций крупнопанельного домостроения по серии 90 (ОМ) в Омске

В соответствии с техническим заданием на проектирование 3-х этажного 36 квартирного жилого дома из трех блок-секций, утвержденным Заказчиком ООО «СМТ «Стройбетон», предусматривалось использовать наши инновационные технологии [6, 8, 10] с целью снижения стоимости строительства фундаментов по сравнению с аналогом – свайными фундаментами из свай длиной 8-9 метров в мягко- и текучепластичных суглинках, залегающих с поверхности земли до глубины 4,6 м.

Отметим, что к моменту выполнения данных работ у нас уже был опыт использования пучинистного грунтового основания при строительстве 9-ти этажного кирпичного дома на 144 квартиры в г. Омске [5].

Суглинок текучепластичный с прослоями мягкопластинчатого обладает следующими физико-механическими характеристиками: природная влажность W=0,3;  влажность на границе текучести WТ=0,33; влажность на границе раскатывания WР=0,19; показатель текучести JL= 0,79; число пластичности Jp=14; плотность в природном состоянии Р=19,2 кН/м3; плотность сухого грунта Рd=14,6 кН/м3; коэффициент водонасыщения Sг=0,99; коэффициент пористости е=0,81; модуль деформации Е=2,3 МПа; угол внутреннего трения j=15°; удельное сцепление С=13 кПа; плотность частиц грунта Рs=26,8 кН/м3.

Уровень грунтовой воды на момент строительства в августе 2016 годанаходился в 1,5 метрах от поверхности земли, глубина промерзания согласно [1] – 1,94 метра для сухого грунта.

Определение расчётной глубины сезонного промерзания грунта под фундаментом на период строительства для оголенной от снега поверхности при влажности грунта W=0,3; Tbf = по табл. Б. [7] для незасоленных грунтов. Tbf =-0,2°С согласно [6].

По графику на рисунке 1 определяем глубину промерзания под фундаментом с учетом Tbf = -0,2°С - dfn = 1,34 м; толщина твердомерзлого грунта под фундаментом для суглинка при Т=-1,0°С составляет 1,17 м; глубина заложения водопровода при влажности грунта W=0,3 для оголенной поверхности при коэффициенте Yс1=0,74, Yс2=1,0, dfn = (1,94+0,5)*0,74*1,0 = 1,8 м. Глубину промерзания грунта под проездами при В>4hfn принимаем dfn =1,34, с учетом начала промерзания Tbf = -0,2°С.

Рис. 1. Графики распределения температур в грунте для оголенной от снега поверхности: 1 - для суглинка согласно [1] ; 2 - то же, при влажности грунта W=0,3 для фундамента; 3 - то же, для водопровода, согласно [5] Рис. 1. Графики распределения температур в грунте для оголенной от снега поверхности: 1 - для суглинка согласно [1] ; 2 - то же, при влажности грунта W=0,3 для фундамента; 3 - то же, для водопровода, согласно [5]

 

Определение зависимости величины морозного пучения мягко-текучепластичного суглинка от давления в лабораторных условиях

Принимаем зависимость относительной деформации морозного пучения глинистого грунта, преимущественно с минералогическим составом из иллита, от давления согласно [10] по формулам:

При давлении на поверхность пластично-мерзлого грунта в пределах рi< 50 кПа:

рi = 317 exp(-23,6 ) (1)

При рi 50 кПа:

рi = 317 exp(-30 ) (2)

Относительную податливость грунта под динамометром сжатия принимаем = 0,0095 аналогично [9], а общую величину морозного пучения грунта под фундаментом определяем по формуле:

 

hff= df + df (3)

где df – глубина промерзания грунта ниже подошвы фундамента, м;

Ddf – минимальная толщина прорезаемого грунта под подошвой фундамента, принимаемая из условия обеспечения точности определения hff  равной 0,125…0,25 м;

– относительная деформация морозного пучения i-го слоя при давлении от фундамента рi.

На рисунке 2 показаны графики степени пучинистости грунта от давления.

Рис.2. Графики зависимости степени пучинистости грунта от давления: 1, 3 - нормативная и расчетная кривые для мягкопластичного суглинка; 2 - нормативная кривая для тугопластичного суглинка Рис.2. Графики зависимости степени пучинистости грунта от давления: 1, 3 - нормативная и расчетная кривые для мягкопластичного суглинка; 2 - нормативная кривая для тугопластичного суглинка

Определение распределения давления от фундамента на промерзаемый грунт по глубине промерзания

В соответствии с расчетной схемой взаимодействия консоли из твердомерзлого грунта за пределами наружной грани фундамента с нормальными силами морозного пучения (см. Рис.3) [13] определяем длину консоли по формуле:

С = 0,75 (4)

где Mf – изгибающий момент, действующий на твердомерзлы консоль, кН.м, определяемый по формуле:

M=RpfWT(5)

где Rpf – расчетное сопротивление твердомерзлого суглинка на растяжение, определяемое согласно табл. 2.3 [4], кПа;

WT – момент сопротивления твердомерзлого слоя грунта прямоугольного сечения с учетом неупругих деформаций по аналогии с бетоном, определяемый по формуле:

WT = (6)

где  b – ширина консоли, м;

hT – толщина твердомерзлого слоя консоли, м;

рf – вертикальное напряжение морозного пучения, действующее на консоль, кПа.

 

Рис. 3. К определению расчетной горизонтальной проекции плоскости сдвига ТСГ под фундаментом: 1 – фундамент, 2 – твердомерзлый грунт, 3 – пластичномерзлый слой грунта Рис. 3. К определению расчетной горизонтальной проекции плоскости сдвига ТСГ под фундаментом: 1 – фундамент, 2 – твердомерзлый грунт, 3 – пластичномерзлый слой грунта

 

Предварительно определяем морозное пучение текучепластичного суглинка под ленточным фундаментом с учетом указаний [10, 9], которое составило около 8 см, что не допускается согласно [10]. Для усиления прочности грунта основания и уменьшения величины морозного выпучивания проектом предусмотрено устройство под фундаментом подушки из мелкого песка толщиной 500 мм по всей площади котлована с уплотнениями до Кcom = 091-0,93 (с коэффициентом пористости песка е 0,6).

На рисунке 4 показан график изменения давления от фундамента на поверхность текучепластичного мерзлого грунта, а также от собственного веса грунта. Общая глубина промерзания грунта от поверхности пола техподполья определена в соответствии с указаниями [14] как для площадок, сложенных неоднородными по глубине грунтами и составила 1,79 м, в том числе мелкий песок 90 см и мягко-текучепластичный суглинок 89 см.

Величина морозного пучения, определенная по формуле (2) составила менее 6 см, что допускается при погонной изгибной жесткости здания [EJ] 4,36*105кН*м2.

 

Рис. 4. Расчетная схема ленточного фундамента на пучинистом грунтовом основании: Рис. 4. Расчетная схема ленточного фундамента на пучинистом грунтовом основании:

а) графики сдвига твердомерзлых слоев суглинка под фундаментом; б) графики распределения давления от фундамента и собственного веса грунта по глубине промерзания: 1 - ленточный фундамент; 2 - песчаная подушка; 3 - твердомерзлые слои суглинка; 4 - пластичномерзлый суглинок; 5 - граница начала замерзания суглинка; 6 - граница нулевой температуры; 7 - граница сдвига мерзлого грунта, 8,9 - граница изменения давления по глубине промерзания соответственно от веса грунта и фундамента

 

Определение предельно-допустимого давления от фундамента на оттаивающее основание

При проектировании малозаглубленных фундаментов на пучинистом грунтовом основании предусмотрены решения, обеспечивающие надежность, долговечность и экономичность сооружения на всех стадиях строительства, включая «форс-мажорные» обстоятельства, и эксплуатации. Наличие мерзлой песчаной подушки полностью исключает повороты фундаментов под наружные стены в процессе строительства. В процессе эксплуатации здания исключается промерзание пучинистых грунтов под фундаментами и здание работает только на осадку, как в обычных грунтовых условиях. Наличие мерзлой песчаной подушки так же исключает неравномерные деформации здания в продольном и поперечном направлениях.

Как показывают наши исследования [9] и исследования В. Карлова [15], в процессе оттаивания значительно уменьшается прочность оттаявшего грунта под фундаментами.

Условием расчета оттаявшего основания по несущей способности является соблюдение условия [15]:

p Меньше или равно Меньше или равно рth.u

где рth.u – предельное давление для сезоннооттаявшего основания, которое предлагается определить по формуле:

рth.u = (7)

Нами получено предельное сопротивление срезу оттаявшего мягкопластичного суглинка =37.5 кПа.

По данным [15, табл. 5.6], при показателях текучести JL=0,85, удельное сцепление уменьшается в 2,16 раза, а угол внутреннего трения в 1,33 раза. Эти данные можно использовать для определения сопротивления грунта срезу , угла внутреннего трения иудельного сцепления :

= + *150=6+0,2*150=36 кПа.

Полученное нами значение сопротивления грунта срезу =37,5 кПа практически совпадает с данными [15] =36 кПа.

По формуле (7) определяем максимально допустимое давление от фундамента на оттаивающий грунт:

рth.u = = = 116 кПа

С учетом коэффициента надежности = 1,2:

Rth= = = 97 кПа >Rth.u= 85 кПа

При давлении на промерзающие глинистые грунты в пределах 100-150кПа, величина морозного пучения грунта и его осадка при оттаивании примерно равны [15], что подтверждается нашими исследованиями за осадками фундаментов под теплотрассу [12].

Учитывая наличие твердомерзлого песка толщиной 500 мм, расчет здания на неравномерное морозное пучение основания не выполняем.

 

Расчет здания на неравномерные осадки при оттаивании грунта под фундаментами

Расчетная схема стен бескаркасных зданий на ленточных фундаментах принимается в виде полубесконечной балки постоянной изгибной жесткости на равно оседающих (пучащихся) опорах с одинаковыми пролетами (lc), примерно равными высоте здания от низа подошвы фундамента до центра тяжести верхнего пояса под плитами покрытия (H), т.е. lc H. Для бескаркасных панельных зданий пролет принимается равным половине длины блок-секции. Для нашего случая l= 16,2/2=8,1 м. Изгибная жесткость 3-х этажного панельного здания составила [EJ]c=10,3*106 кН*м2.

Величину прогиба (выгиба) наружных стен здания при оттаивании грунта определяем по формуле:

f(th)=                 (8)

где f(th) – относительный прогиб (выгиб) продольной наружной стены при оттаивании мерзлого грунта, мм;

hff – величина морозного пучения равная величине оттаивания, мм;

– показатель гибкости и жесткости стен, определяемый по формуле:

=                              (9)

 

где – длина участка равная 8,1 м;

– экспериментальная длина участка [11] равная 3,0 м;

– коэффициент условий работы, учитывающий наличие уплотненный песчаной подушки, когда коэффициент уплотнения контролируется лабораторией, при толщине подушки h=0,5 м =0,6 и при h=0,3 м =0,8:

[EJ]э = 4, 36*105кНм2 – изгибная жесткость стены экспериментального сооружения [11].

[EJ]= 10,3*106кНм2 – изгибная жесткость продольной наружной стены блок-секции, определяемый согласно СН*321-65 и ВСН-32-77.

Прогиб (выгиб) здания составил около 4 мм, что менее допустимого значения:

fu= 0,0004 >fф = 0,00012

Расчет изгибающего момента, площади растянутой арматуры в стыках, изгибной жесткости стен и других параметров для определения напряженно-деформированного состояния стен приведены в примерах расчетов кирпичных ипанельных зданий в работе[10].

 

Технико-экономические показатели от внедрения 3-х ЕИТ

При определении технико-экономических показателей в качестве аналога использованы свайные фундаменты 3-х этажного аналогичного здания, построенного в этом же микрорайоне в аналогичных грунтовых условиях.

Общая площадь квартир – 1761,3 м2.

Общая площадь дома – 1947,2 м2.

 

Таблица. Сметные показатели при строительстве фундаментов

Показатель

Аналог, жилой дом №7

(свайные фундаменты)

Жилой дом №12 с использованием ЕИТ на малозаглубленных фундаментах

Сметная стоимость фундаментов

тыс. руб.

5335,46

1475,025

Средства оплаты труда

тыс. руб.

420,713

72,505

Трудоемкость

чел./час

1686

346

 

Отметим, что при использовании пучинистых грунтовых оснований под мелкозаглубленные фундаменты взамен свайных, увеличиваются затраты на лабораторные исследования примерно на 250-300 тыс. руб. в текущих ценах. При этом исключаются полевые работы по статическому зондированию для проектирования свайных фундаментов на сумму около 83 тыс. рублей.

В настоящее время осуществляется геотехнический мониторинг согласно указаний [1].

 

Список литературы
  1. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М., 2011, 161 с.
  2. Абжалимов Р.Ш. «О коммерциализации научно-технической деятельности в строительной отрасли» // Экономика строительства. №1, 2016 г. с.44-47.
  3. Абжалимов Р.Ш. Диплом №474 на научное открытие «Закономерность распределения вертикальных напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта, находящегося под внешней нагрузкой» г. Москва. Регистрационный номер №602, 14.10.2014 г.
  4. Р.Ш. Абжалимов. Использование сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений в инженерной практике», г. Омск, Омскбланкиздат, 2013, 442 с.
  5. Абжалимов Р.Ш. Опыт строительства жилого дома на подсыпке при. глубоком сезонном промерзании грунтовт// Промышленное и гражданское строительство.2001, №4, с 49-51.
  6. СТО 11888052-001-2014. Определение температуры грунтов по глубине промерзания при проектировании фундаментов и подземных инженерных коммуникаций на территории населенных пунктов Омской области (Инновационная технология), ООО НИПСФ «АБИК», 2014г. 36 с.
  7. СП 25.1330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция. СНиП 2.02.04-88, М., 2012
  8. СТО 11888052-002-2014. Грунты. Метод лабораторного определения относительной деформации морозного пучения грунта от давления, максимального значения давления морозного пучения, предельно допустимого давления на оттаивающее основание от фундамента (Инновационная технология). ООО НИПСФ «АБИК», г. Омск, 2014 г, 22 с.
  9. Р.Ш. Абжалимов, Н.Н.Головко. Лабораторные исследования зависимости морозного пучения грунта от давления // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2009-№1, с.25-30
  10. СТО 11888052-004-2014. Проектирование и устройство фундаментов малоэтажных жилых и общественных зданий на пучинистых грунтовых основаниях (Инновационная технология). ООО НИПСФ «АБИК», г. Омск, 2014г., 91 с.
  11. Р.Ш. Абжалимов. Особенности взаимодействия пучинистых грунтов с конструкциями подземных переходов и метод их расчёта. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., НИИОСП, 1987 г. С.23
  12. Р.Ш. Абжалимов. К расчету трубопроводов на малозаглубленных фундаментах при пучинистых грунтовых основаниях // Транспортное строительство. 1999. №11, с. 28-30.
  13. Р.Ш. Абжалимов. К расчету прочности твердомерзлого слоя грунта под фундаментами. // Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практике механики грунтов и фундаментостроения. Академические чтения по геотехнике Казанского государственного архитектурно – строительного университета – Казань, 2006. С. 3-8.
  14. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) / НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, М., Стройиздат, 1986. 415 с.
  15. Карлов В.Д. Основания и фундаменты на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах/Санкт-Петербурский ГАСУ,2007. 362 с.