1.2. Определение осадки фундаментов на усиленном основании

Основание, усиленное выштампованными микросваями становится не однородной средой (появляются внедренные жёсткие элементы микросвай), с улучшенными деформационными характеристиками и, следовательно, с меньшими величинами расчётных осадок. Для вычисления осадки фундамента (расчёт по II предельному состоянию) на таком основании целесообразно воспользоваться методикой осреднения модуля деформации грунтового основания. Подобная методика достаточно подробно рассмотрена в статье Алексеева С.И., Лукина В.А. [5].

В качестве примера, продолжим рассмотрение выше приведённой задачи в § 1.1.2., как задачи определения осреднённого модуля деформации грунтового основания, усиленного выштампованными микросваями.

Рассмотрим решения на основе допущений, что при выполнении выштампованных микросвай усиления грунтового основания, под подошвой ленточного фундамента (рис. 1.13) в основании образуется не однородная среда, состоящая в общем случае из следующих компонентов:

1. Грунтового массива с модулем деформации Е_гр и объёмом V_гр.
2. Микросвай усиления основания (ствол сваи с модулем деформации Е_св≈100…130 мПа, с объёмом V_св), (3 микросвай, расположенных под углом 45° к вертикали, по условиям рассматриваемого примера).
3. Уплотнённой оболочки грунта средним радиусом 0,2 м вокруг изготовленной сваи, с максимальным увеличением физико-механических характеристик грунта на 11% и, соответственно, модулем деформации Е_угр=1,11Е_гр. и объёмом V_угр.[6] (в соответствии с обозначениями на рис. 1.14).
4. Уплотнение грунта основания происходит в основном в условном объёмеV=b², определяемом как произведение ширины подошвы фундамента на глубину, равную ширине подошвы и на единицу длины (для ленточного фундамента – это 1м) (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема конструктивного усиления основания под ленточным фундаментом по данным результата расчёта § 1.1.2.

Рис. 1.14. Схема устройства выштампованной микросваи (диаметром 0,2…0,22 м) в плане с принятыми условными уплотнёнными оболочками грунта вокруг её ствола, по результатам опытного динамического зондирования [6].

1 – уплотнённая оболочка грунта на расстоянии r=0,2 м от поверхности ствола микросваи с увеличением физико-механических характеристик грунта на 11%. 2 - уплотнённая оболочка грунта на расстоянии r=0,4 м от поверхности ствола микросваи с увеличением физико-механических характеристик грунта на 8 %. 3 - уплотнённая оболочка грунта на расстоянии r=0,6 м от поверхности ствола микросваи с увеличением физико-механических характеристик грунта на 6 %.

Тогда, для основания усиленного микросваями, средневзвешенное (осреднённое) значение модуля деформации основания Е_ср, в соответствии с принятыми допущениями, можно определить исходя из следующего выражения:

, (1.1)

где Е_св, Е_угр, Е_гр – соответственно модули деформации материала сваи, уплотнённой оболочки грунта вокруг сваи и грунтового массива; V_св,V_угр, V_гр – объёмы, занимаемые соответственно сваями, уплотнённым грунтом вокруг свай и оставшимся грунтовым массивом в общем условном объёме V=b² уплотнённого основания на единицу длины (рис. 1.13); b – ширина подошвы ленточного фундамента.

Для n-го количества микросвай усиления основания, обычно диаметром d=0,22м (из условий технологических параметров изготовления), имеющих длину ℓ=b/cosα (пересекающих всю условную зону основания толщиной b) и выполненных под углом (α) к вертикали, получим:

V_св=(πd²/4)^.ℓ^.n=(πd²/4)^.b n/cosα (1.2)

Для уплотнённой оболочки грунта на расстоянии 0,2 м вокруг изготовленной сваи (рис.1.14) или при d₁=0,6м, получим:

V_угр=(πd₁²/4-πd²/4)^.ℓ^.n=(πd₁²/4-πd²/4)^.b^.n/cosα=π/4(d₁²-d²)^.b^.n/cosα (1.3)

Тогда V_гр* составит:

V _гр=V-V_св-V_угр= b²-(πd²/4)b^.n/cosα-(πd₁²/4)^.n/cosα+(πd²/4)^.b^.n/cosα=

=b(b- πd₁^2.n/4^. cosα) (1.4)

Подставляя полученные значения V_св,V_угр,V_гр в исходную формулу (1.1) можно вычислить Е_ср.

Таким образом, предложенная методика в соответствии с принятыми допущениями, для вычисления Е_ср позволяет определить осреднённую деформационную характеристику для усиленного (уплотнённого) грунтового основания в зависимости от исходных модулей деформации (Е_св, Е_угр, Е_гр), ширины подошвы фундамента (b) и количества (n) микросвай усиления основания на единицу длины фундамента.

Данный расчётный метод осреднения модуля деформации, уплотнённого выштампованными микросваями, основания под подошвой фундамента сопоставлялся с результатами полевого штампового эксперимента [5]. Анализ результатов проведённых испытаний и расчётных значений показал удовлетворительную их сходимость, а, следовательно, возможность применения предложенной методики осреднения модуля деформации уплотнённого основаниия, к инженерному методу расчёта осадки.

Таким образом, принятое конструктивное решение по усилению (уплотнению) грунтового основания в виде устройства выштампованных микросвай, даёт возможность расчётным способом прогнозировать изменение модуля деформации уплотнённого основания. Полученная осреднённая характеристика модуля деформации уплотнённого основания будет определять развитие осадок реконструируемых зданий (расчёт по деформациям или по II предельному состоянию) при дополнительном их нагружении (замена перекрытий, строительство мансард или этажей и т.п.).

Продолжая рассматривать в качестве примера выше описанные условия задачи, в соответствии с принятыми допущениями, используя схемы на рис. 1.13; 1.14 и выражение (1.1), выполним вычисление средневзвешенного значения модуля деформации основания Е_ср, уплотнённого микросваями, расположенными под ленточным фундаментом.

Тогда для условий рассматриваемого примера с тремя (n) микросваями уплотнения, выполненных под углом α=45º к вертикали, используя выражение (1.2), получим:

V_св=(πd²/4)^.ℓ^.n=(πd²/4)^.b n/cosα = (3,14·0,22²/4)·1,42·3/0,707 = 0,23 м³ 

Для вычисления уплотнённого объёма грунта вокруг выштампованных микросвай, воспользуемся выражением (1.3), тогда:

V_угр=(πd₁²/4-πd²/4)^.ℓ^.n=π/4(d₁²- d²)^. b^.n/cosα =3,14/4(0,6²-0,22²)·1,42·3/0,707=1,47 м³

В соответствии с выражением (1.4) V_гр*  составит:

V _гр=V-V_св-V_угр= 1,42²-0,23-1,47 = 0,316 м³

С учётом выше приведённых вычислений, средневзвешенный (осреднённый) модуль деформации для условного объёма грунта, уплотнённого выштампованными микросваями, (см. рис. 1.13) для условий рассматриваемой задачи (ленточный фундамент шириной подошвы 1,42 м), в соответствии с выражением (1.1), составит:

Подставляя дополнительные данные:

• Е_св=100 мПа;
• Е_угр=1,11Е_гр.=1.11х17=18,87 мПа,

в представленное выражение для Е_ср, получим:

Таким образом, в результате уплотнения выштампованными микросваями основания под ленточным фундаментом (из расчёта – 3 св. на 1 п.м., по условиям рассматриваемой задачи), можно принять, что (условный объём уплотнённого основания) слой грунта по глубине мощностью до b=1,42 м будет иметь осреднённый расчётный модуль деформации Е_ср=27,8 мПа.

Создание под подошвой фундамента уплотнённого слоя грунта с более высоким модулем деформации отразиться на развитии осадок реконструируемого здания. С целью определения развития прироста осадки от дополнительного нагружения по результатам реконструкции, выполним сравнительные расчёты осадки по методу послойного суммирования для одного и того же фундамента до и после реконструкции.

До уплотнения основания и дополнительного нагружения фундамента (до реконструкции) условия расчёта его осадки могут быть определены по расчётной схеме на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Расчётная схема к определению осадки по методу послойного суммирования для ленточного фундамента на естественном основании, до его дополнительного нагружения в результате реконструкции.

Величина расчётной осадки представлена в табличном исчислении (таблица 1) на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Результаты расчёта осадки ленточного фундамента по методу послойного суммирования на естественном основании. Рассмотрены условия до момента его дополнительного нагружения вследствие реконструкции.

Как видно по результатам вычислений (таблица 1 на рис. 1.16), конечная или полная осадка фундамента на естественном основании до реконструкции здания составит S = 5,97 см.

По результатам реконструкции и выполненного уплотнения несущего слоя основания под подошвой фундамента с использованием выштампованных микросвай, расчётная схема для вычисления осадки может быть представлена на рис. 1.17.

В данном случае под подошвой фундамента мы получаем дополнительный слой уплотнённого грунта мощностью 1,42 м с осреднённым модулем деформации 27,8 мПа, что отразиться в левой части (инженерно-геологической колонке) на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Расчётная схема к определению осадки по методу послойного суммирования для ленточного фундамента на уплотнённом основании, после его дополнительного нагружения в результате реконструкции. Слой № 2 мощностью 1,42 м уплотнён выштампованными микросваями из условия – 3 сваи на 1 п.м. с расчётным осреднённым модулем деформации 27,8 мПа.

Величина расчётной осадки для условий создания уплотнённого несущего слоя основания и дополнительного нагружения по результатам реконструкции, представлена в табличном исчислении (таблица 2) на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Результаты расчёта осадки ленточного фундамента по методу послойного суммирования на уплотнённом основании. Рассмотрены условия после его дополнительного нагружения вследствие реконструкции.

Как видно по результатам вычислений (таблица 2 на рис. 1.18), конечная или полная осадка фундамента на уплотнённом основании после реконструкции здания (дополнительного нагружения) составит S₁ = 7,18 см.

Сопоставляя результаты конечных (полных) осадок ленточного фундамента, полученных одним и тем же методом до реконструкции (естественное основание) и после реконструкции (уплотнённое основание и дополнительное нагружение), получим величину разности осадки или её прироста в размере:

_∆S = S₁ – S = 7,18 – 5,97 = 1,2 см

Полученная величина _∆S* = 1,2 см не превышает регламентаций нормативных документов [1], воспринимается жёсткостью надземных конструкций реконструируемого здания и потому вполне допустима.

* при небольших размерах фундамента и частом шаге микросвай, может быть принято минимальная величина V_гр равная 0. В этом случае весь условный объём уплотнённого основания занимают микросваи и уплотнённый грунт вокруг них.

* Если по результатам расчёта получится, что величина ∆S ≤ 0, то это соответствует условию, когда принятые меры по усилению основания по сравнению с увеличением нагрузки на фундамент являются более эффективными. Такое условие также удовлетворяет требованиям [1].