ФУНДАМЕНТЫ НА ОСНОВАНИИ, УКРЕПЛЁННЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ АРМОЭЛЕМЕНТАМИ (ВАЭ)

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы сравнения оснований из уплотнённых грунтовых подушек, свайных фундаментов и оснований, укреплённых вертикальными армирующими элементами (ВАЭ) с демпферными песчаными прослойками. Приводятся результаты экспериментов моделирования совместной работы вертикальных армоэлементов и конструкционной плиты, а также результаты тестов ВАЭ на реальных грунтах. Приводятся методы определения основных расчётных параметров фундаментных балок, плит и несущую их способность. Результаты исследования дали возможность широко использовать этот метод для возведения надёжных методов возведения оснований и фундаментов с сейсмозащитной демпферной песчаной прослойкой в грунтовых условиях Узбекистана.

ABSTRACT

The paper discusses the issues of comparing bases made of compacted soil pads, pile foundations and bases reinforced with vertical reinforced elements (VAE). The authors give results of experiments modeling the joint operation of vertical reinforced elements and a structural slab, as well as the results of VAE tests on real soils. In addition, the authors give the methods for determining the main calculated parameters of foundation beams, slabs and their bearing capacity. The results of the study made it possible to use this method widely for the construction of bases and foundations in the soil conditions of Uzbekistan.

Ключевые слова: Вертикальный армоэлемент (ВАЭ), монолитный фундамент, грунт, лёсс, просадка, давление.

Keywords: Vertical armo-element (VAE), monolithic foundation, soil, loess, sinking, pressure.

Введение. При проектировании и строительстве зданий и сооружений на слбых грунтах в сейсмических условиях, проектировщики часто сталкиваются с проблемами снижения неравномерных осадок, просадок, повышения жёсткости основания, а также с обеспечением их сейсмоустойчивости. Использование наиболее распространённого метода устройства искусственных оснований, в виде уплотнённых грунтовых подушек, не полностью отвечает требованиям надёжности и приводит к удорожанию возведения нулевого цикла при строительстве. Кроме того, производство земляных работ тесно связано с сезонностью, промерзания в зимнее время, перенасыщение грунтов влагой в весенние и осенние периоды или наоборот, недостаток влаги в летние периоды года. В процессе эксплуатации зданий из-за утечек воды из коммуникаций, грунтовые подушки насыщаются водой, что приводит к снижению её жёсткости и развитию деформации грунтового основания. Специалистам геотехникам известно то, что именно такие свойства грунтов, несмотря на их уплотнённость, могут снизить их надёжность при землетрясениях.

Альтернативные методы устройства и подготовки искусственных оснований, в частности, метод вытрамбованных котлованов, грунтовых свай, метод предварительного замачивания и прочие из-за технических, технологических и специфических особенностей практически перестали применяться в строительстве. Кроме того, в условиях стеснённости территории и плотной застройки в городах, стали реже применять метод уплотнения грунтов ударными нагрузками при помощи тяжёлых трамбовок. Альтернативным вариантом в городском строительстве остаётся метод возведения оснований и фундаментов с применением свайных фундаментов. Однако, как показывает практика, для зданий не более 9-12 этажей для грунтовых условий с модулем деформации  Мпа, применение свайных фундаментов приводит к удорожанию возведения нулевого цикла. Даже в грунтовых условиях с высоким расположением подземных вод и слабыми водонасыщенными грунтами, вместо традиционно использованных ранее забивных свай, постепенно начали применять метод возведения уплотнённых грунтовых подушек из щебенистых, гравийных материалов и плитные фундаменты.

В последнее время, наряду с грунтовыми подушками, в строительстве начали широко использовать метод подготовки основания с использованием вертикальных армирующих элементов (ВАЭ). Преимущество применения ВАЭ кроме прочих дает дополнительные возможности использования сейсмозащитных свойств при помощи использования демпферов в виде песчаных прослоек, засыпаемых между фундаментом и ВАЭ (рис.1).

Обзор литературы. Принципиальные отличие ВАЭ от свайных фундаментов. Вертикальные армоэлементы из уплотнённых или укреплённых грунтов, принципиально отличаются от жёстких ж/б свай. На наш взгляд, существуют следующие различия между ними. Железобетонные сваи совместно с ростверком составляют единый фундамент под здание или сооружение. При расчёте свайных фундаментов, практически все внешние нагрузки распределяются на сваи. Грунтовые, цементагрунтовые и бетонные ВАЭ не являются конструкцией, и относятся к элементам усиления грунтового основания, которые выполняют функцию его укрепления методами армирования. ВАЭ в отличие от железобетонных свай не работают на изгибные нагрузки, и позволяют перераспределять напряжений в большом объёме массива грунта. ВАЭ позволяют регулировать контактные напряжения, уменьшают прогибы и усилия в фундаментной конструкции, увеличивает жёсткость (податливость) грунтового основания под фундаментом. ВАЭ в отличие от обычных свай, по условиям работы в грунте, не подразделяются на сваи стойки и висячие. Это объясняется тем, что ВАЭ относительно мало прочные и в соответствии с этим, значительно податливее, чем железобетонные сваи (прочность материала ВАЭ значительно превышает прочность грунта и на порядок меньше прочности железобетона). И по этой причине, под действием внешних нагрузок, в основании происходит более интенсивное рассеивание напряжений, позволяющая подключить к работе больший объем грунта.

Между ВАЭ и ростверком для снижения концентрации напряжений и сейсмической горизонтальной нагрузки, предусматривают песчаную прослойку-демпфер. Обычно толщина песчаной прослойки не превышает 15-20 см. Ширина прослойки принимается равной 1,4b, где b-ширина ростверка (рис. 1). В сейсмических районах прослойка песка, кроме прочих, выполняет также роль демпфера. Она позволяющая снижать ударные сдвиговые нагрузки , передаваемые на здание. Так как песчаная прослойка демпфера подчиняется закону упруго – пластичности. При ударных сейсмических нагрузках песчаная прослойка на мгновение теряет исходную прочность на сдвиг и затем переходит в другое более устойчивое равновесное положение. В этом случае, ожидается снижение контактных напряжений под ростверком  и увеличение нагрузки на ВАЭ . По существу, кроме прочих функций, указанных выше, ВАЭ выполняет роль кратковременной опоры при ударных сейсмических усилий, возникающих во время землетрясений. Наиболее типичная конструкция узла ВАЭ и ростверка представлена на рис. 1. С целью снижения величины коэффициента трения и проницаемости, песчаные грунты демпфирующего слоя перемешиваются (15-20% по составу) с суглинком. Иногда для снижения концентрации контактных напряжений, возникающие на уровне оголовника ВАЭ, предусматривается опорная бетонная плита, она же служит выравнивающим слоем.

В начальный момент нагружения, внешняя нагрузка распределяется по подошве ростверка основания. При дальнейшем увеличении нагрузок, к работе постепенно подключаются и сами ВАЭ, посредством которых происходит нагружение более надёжных грунтов, расположенных в более глубоких слоях основания.

  Имеется также существенное отличие условий работы на контакте боковой поверхности ВАЭ и окружающего его грунта. Например, для цемента-грунтовых свай чётко выраженной боковой поверхности не существует, и диаметр свай принимается приблизительно от центра до условной границы, равной диаметру шнека (рабочего органа) или зоны влияния водоцементной струи (инъекционная технология). На контакте происходит «прилипание, твердение» окружающего грунта к грунтоцементной сваи и поэтому меняются условия взаимодействия. Как показали наши исследования, при расчёте несущей способности грунтоцементных свай на лёссовых грунтах, необходимо учесть не только трение (сдвиг), но и свисание периферийных грунтов, расположенных на некотором расстоянии от технологической стенки армоэлемента. Условный расчётный поперечный контур в сечении ВАЭ выходит за рамки технологического его диаметра D (условный диаметр рабочего органа смесительного механизма) и зависит от структурно-физических характеристик грунтов. Зона влияния в массиве вокруг ВАЭ может распространяться в пределах (2-5) D. В процессе просадки лёссовых грунтов за счёт их свисания на ВАЭ, ожидается уменьшение гравитационного давления массива грунта, что препятствует появлению просадочных деформаций. По этой причине, при проектировании оснований, укреплённых вертикальными элементами, расстояние между ними необходимо принимать по расчёту. В зависимости от величины нагрузок и мощности слабых, подлежащих армированию грунтов, используется частичное (на фиксированную глубину) или армирование на всю глубину распространения слабых грунтов.

Метод исследования. Расчётные показатели ВАЭ и грунтового основания. Податливость оснований под фундаментами, кроме прочих, зависит и от толщины демпфирующей прослойки. Принципиальное значение имеет правильный подбор механической модели материала укреплённого грунта. В частности, прочность как уплотнённого грунта, так и закреплённого грунта подчиняется теории прочности Кулона Мора. Для цемента-грунтовых ВАЭ, в отличии от связных и несвязных уплотнённых грунтов, свойственна высокая структурная прочность, характеризуемая повышенным сцеплением. Придел прочности этих материалов определяется аналогично призменной прочности бетона по результатам одноосного сжатия. На рис.2 и 3 показаны процессы полевых испытаний цементогрунтовых и бетонных ВАЭ на объектах строительства в Узбекистане.

Прочность бетонных ВАЭ соответствует призменной прочности материала, которая должна быт не менее 700-1000 кПа. Расчётную деформационную модель цемента-грунтовых и бетонных ВАЭ определяется в приделах его прочности. Численные значение такой модели должна приниматься из условия линейного деформирования. Для этого ВАЭ подвергается испытанию на вертикальные сжимающие нагрузки с измерением перемещения s_z. Характеристики жёсткости ВАЭ определяются по графику «нагрузка-осадка» (рис. 2,3) по выражению

                                                            (1),

где - соответственно приращение вертикальных усилий и перемещений ВАЭ.

Продольная жёсткость цемента-грунтовых так и бетонных ВАЭ считается обеспеченной при выполнении условии: соотношение диаметра к его длине D/L и . На рисунке 2 и 3 представлены эксперименты, которые проведены на лёссовых грунтах (D=0,5 м и L=6 м) и галечниках (D=0,8 м и L=12 м).

Для расчёта деформаций оснований укреплённые с использованием грунтовых ВАЭ, следует в качестве характеристики, принимать обобщённую величину модуля, приведённой деформации. Такая характеристика может быть определена при помощи выражения, полученная по результатам полевых исследований грунтов штампами

                                                        (2),

где,  и -соответственно величины модуля деформации грунтов природной влажности, расположенные в меж свайном пространстве и уплотнённые (укреплённые) грунтовыми ВАЭ. Расчёт оснований по деформациям, в этом случае, определяется традиционными методами, в соответствии с [3].

Расчёт конструкции фундаментов на грунтовом основании производится по модели Винклера-Пастернака, как балка лежащая на упругом основании с параметром С₂. Коэффициенты постели (упругости) С₂ определяются по результатам штамповых испытаний, по известным выражениям [2], как отношение среднего давления  под штампом к осадке, по известным выражениям:

 ,                                                         (3)

Равномерное распределение напряжений на грунтовое основание и ВАЭ, посредством железобетонных ростверков, достигается при помощи песчаной прослойки.

В работах [1, 2] приводятся инженерные методы расчётов определения несущей способности и деформируемости укреплённого ВАЭ. Например, для лёссовых грунтов с физическими свойствами: удельный вес ; коэффициент пористости   ; влажность   и числом пластичности . с деформационными и прочностными показателями  и  . Ориентировочно несущею способность одиночной бетонной ВАЭ длиной более 3 м, и расстояние между ВАЭ определяется по эмпирическим выражениям:

,                                                                        (4)

                                                            (5)

где, -соответственно коэффииенты уравнения, зависящие от технологии и вида окружающего грунта,  определяемые для конкретных грунтовых условийсоответственно поперечная площадь и длина ВАЭ, -начальное просадочное давление (кПа) или расчетное сопротивление слабого грунтового основания-R;- внешняя распределенная нагрузка на ростверк и В-ширина ростверка Например, для однотипных лёссовых грунтов Узбекистана и на основании многочисленных экспериментов установлено, что коэффициенты  и ;

 ВАЭ, при расчёте ростверков моделируются как упругие податливые опоры (рис. 5), установленные вдоль балки с шагом . Податливость (жёсткость) упругой опоры определяется по результатам экспериментов (рис. 2,  3) и по выражению (1).

Результаты модельных исследований прогибов плиты на слабых грунтах и основаниях, укреплённых ВАЭ.  Проведённые сравнительные модельные испытания металлической плиты размерами 1,5 х 1,5 м и толщиной 0,005 м на слабых грунтах (в модельных испытания с опилками) показали, что прогиб плиты и область её деформирования имеет ограниченную круговую площадь (рис. 6).  Нагрузка на плиту передавалась через металлический диск с диаметром 8,7 см. имитирующий колонну. Во второй серии испытаний моделировались ВАЭ в виде упругих элементов с жёсткостью С₁=65 кН/м (рис. 7). Схема расстановки упругих элементов под плитой показана на (рис. 8 и 9).  Сравнительные графики прогиба плиты, нагруженной по её центру   сосредоточенной силой и укреплённые упругими элементами представлены на (рис. 6).  Откуда следует, что укрепление грунтов с использованием ВАЭ значительно уменьшает не только общие осадки слабого основания, но и позволяет увеличить интегральную жёсткость системы «Фундаментную плиту-основание». При этом происходит существенное уменьшение максимального прогиба плиты и соответственно усилия (M, Q), что приведёт к уменьшению расходов на её армирование. Сравнивая полученные результаты моментных усилий экспериментов и расчёты можно констатировать тот факт, что концентрация в узловой точке в реальности имеет менее интенсивный характер по сравнению с теоретической. Причём, ВАЭ существенно снижает (в наших экспериментах более на 2 раза) как прогиб, так и расход арматуры под колонной (рис. 6).

Основная часть. На рисунке (рис. 10), в качестве примера, представлены результаты расчёта ростверка, вычисленные с использованием программного комплекса [4]. С правой стороны представлены результаты расчётов прогибов и усилий, укреплённого при помощи ВАЭ, а слева обычные ленточные фундаменты на природном основании. Из результатов расчёта, наглядно просматривается уменьшение концентрации напряжений в основании, в случае применение ВАЭ.

На рисунке (рис. 10) представлены результаты расчёта и расчётная схема балки, нагруженной сосредоточенными нагрузками, на природном грунтовом основании и укреплённым ВАЭ. Результаты расчётов представлены в (табл.  1).

Таблица 1.

 Результаты сопоставления прогибов и усилий в фундаментной балке на естественном основании и на основании укреплённых с ВАЭ.

Как показали наблюдения, такие здания, даже в случае аварийного замачивания грунтов, основания эксплуатируются без повреждений (рис. 11), так как при возникновении просадочных деформаций, эффективные контактные напряжения под плитой (фундаментной балкой) уменьшается, а нагрузки на ВАЭ увеличиваются. За последние 15 лет эксплуатации, такие здания также протерпели землетрясения интенсивностью 4 -7 балов. Как показали результаты обследований, здания с основанием, которые укрепленные с ВАЭ, после землятрясений, их повреждения намного ниже, по сравненеию со зданиями, построенные на природных  грунтах.

Рисунок 11.  Результаты аварийного замачивания грунта

Технико-экономическое сравнение ВАЭ и ростверков с основанием на грунтовых подушках и традиционных ленточных фундаментов, показали экономию ресурсов и стоимости возведения нулевого цикла здания до 10-20%. Для сравнения, при строительстве зданий 6 - 9 этажей, поперечное сечение ростверков не превышает соответственно 60 и 70 см. Преимуществом такого метода, кроме выше изложенных, заключается в отсутствии влияния сезонности (зимнее и весенние дождливые периоды года) и экономии воды, необходимой для достижения оптимальной влажности, в условиях сухого и жаркого климата.

Пособие по проектированию оснований, укреплённых ВАЭ и консультацию по применению этого метода можно получить по адресу. 140147, ул, Лолазор 70, СамГАСИ, ООО «Геофундаментпроект», Самарканд, Узбекистан.

ВЫВОДЫ

1. Укрепление грунтов с использованием ВАЭ позволяет значительно снизить возникновения неравномерных осадок и повысить несущую способность слабых грунтов основания.
2. При воздействии на фундаменты сосредоточенных нагрузок в основаниях с применением ВАЭ ожидается существенное уменьшение прогибов и усилий, что способствует экономии арматуры.
3. Предложены математические выражения, позволяющие определять расчётную несущею способность, жёсткость бетонных ВАЭ и расстояния между ними.
4. Представленная расчётная модель взаимодействия ВАЭ и окружающего его грунта и ростверков с коэффициентами постели позволяет производить расчёты с применением известных программных комплексов.
5. По результатам проведённых исследований авторами подготовлена пособие по расчёту и проектированию оснований, укреплённых ВАЭ и программа расчётов на ЭВМ.

Список литературы:

1. Хасанов А.З., Усмонходжаев И.И., Хасанов З.А., Пособие по проектированию преобразованных оснований в виде вертикально армированных грунтов буробетонными и сваями из грунтовых материалов для малоэтажных зданий на просадочных лёссовых и не просадочных глинистых грунтах. Минстрой РУз. Ташкент–2010. 37 с.
2. Shin, E.C. Kang, H.M. Park, J.J and Kim, S.H. Experimental study of frozen barrier using artificial ground system, Journal of the Korean geosynthetics society, vol. 8№3, (2009) pp. 35-44.
3. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения. -М.: издат. Ассоциация строительных вузов, 2016. – с. 1024.
4. Программный комплекс ЛИРА-САПР.
5. Хасанов, А. З., Хасанов, З. А., & Курбанов, Б. (2021). РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ, ВОЗВОДИМЫХ НА ЛЁССОВЫХ ГРУНТАХ, УКРЕПЛЁННЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ АРМОЭЛЕМЕНТАМИ (ВАЭ). In Фундаменты глубокого заложения и проблемы геотехники территорий (pp. 8-24).
6. Khasanov, A. Z., Khasanov, Z. A., & Kurbanov, B. (2021). ウズベキスタンにおける砂免震. Menshin, (112), 62-69.
7. М.Н. Горбунов Пасадов, Г.А. Маликова Расчет конструкций на упругом основании. М., Стройиздат, 1973 с. 17-28.
8. Irkinovich, K. B., & Shodiyor, O. (2023). CALCULATION AND DERIGN OF FOUNDATIONS ON LYOSS SOIL BASES WITH VERTICAL ARMO–ELEMENTS (VAE). Academia Science Repository, 4(04), 29-35.
9. Irkinovich, K. B., & Jonuzakovich, M. A. (2023). A Study of the Performance of Vertical Armo-Elements (Vae) Using Experiments in Ground and Monolithic Foundation Models. Eurasian Research Bulletin, 18, 73-80.