УДК 624.154

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УШИРЕНИЯ И ДЛИНЫ ФУНДАМЕНТА В ВЫТРАМБОВАННОМ КОТЛОВАНЕ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ

Хрянина Ольга Викторовна1, Астафьев Максим Вадимович2
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры геотехники и дорожного строительства
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, магистрант кафедры геотехники и дорожного строительства

Аннотация
Представлены результаты исследований зависимости несущей способности от диаметра уширения и глубины заложения фундаментов в вытрамбованных котлованах.

Ключевые слова: несущая способность, уширение, фундамент в вытрамбованном котловане


INVESTIGATION OF THE EFFECT OF BROADENING AND THE LENGTH OF THE FOUNDATION IN RAMMED PITS TO CARRYING CAPACITY

Hryanina Olga Viktorovna1, Astafev Maxim Vadimovich2
1Penza state university of architecture and construction, Candidate of Technical Sciences, Assistant professor of geotechnics and road construction
2Penza state university of architecture and construction, graduate student of department of geotechnics and road construction

Abstract
Results of studies dependence the diameter of broadening and the depth of the foundations in rammed pits at the bearing capacity are presented.

Keywords: bearing capacity, broadening, foundation in rammed pit


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Хрянина О.В., Астафьев М.В. Исследование влияния уширения и длины фундамента в вытрамбованном котловане на несущую способность // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/06/55211 (дата обращения: 20.11.2016).

В последнее время в практике строительства успешно применяются фундаменты в вытрамбованных котлованах (ФВК) [1, 2]. Это обусловлено сравнительно несложной и одновременно гибкой технологией их устройства, а также увеличением парка механизмов большой грузоподъемности для производства работ. В качестве основных механизмов используются подъемные краны, краны-экскаваторы и тракторы с навесным оборудованием. Накоплен определенный опыт устройства рассматриваемых фундаментов для широкого диапазона нагрузок от здания в пределах от 800 до 3000 кН в различных грунтовых условиях [3, 4, 5]. ФВК рекомендуются к применению на строительных площадках, сложенных лёссовыми просадочными, различными глинистыми грунтами с числом пластичности Iр ≥ 0,03 при плотности грунта в сухом состоянии сd ≤ 1,6 т/м3 и степени влажности Sr ≤ 0,75 [6, 7].

Фундаменты в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием выполняются удлиненными с использованием трамбовки с квадратным, шестигранным или круглым сечением с диаметром в верхнем сечении 0,6 ч 1,4 м, в нижнем сечении 0,3 ч 1,0 м, длиной 1,5 ч 7,0 метров.

В процессе устройства фундаментов на проектной отметке вытрамбовывается котлован с последующим заполнением его бетоном враспор или реже установкой сборного элемента. Под подошвой фундамента и вокруг его боковых граней создается уплотненная область грунта повышенной плотности, в результате чего устраняются просадочные свойства основания. Нагрузка от фундаментов по подошве и боковым стенкам передается вначале на уплотненный грунт, а затем на грунты природного сложения, благодаря чему достигается более высокая несущая способность фундаментов.

С целью повышения несущей способности в дно котлована втрамбовывается порциями жесткий грунтовой материал (жесткий бетон, щебень, песчано-гравийная смесь, крупный песок, шлак и т. п.). При втрамбовывании жесткого материала в дно котлована трамбовкой с заостренным нижним концом создаётся уширение, имеющее форму шара или эллипсоида вращения [8].

Несущая способность фундамента в вытрамбованном котловане с уширением на вертикальную нагрузку определяется наименьшим из значений несущей способности:

по прочности контакта с жестким материалом, втрамбованным в дно котлована Fu1;

по прочности контакта с грунтом в пределах уплотненной зоны Fu2;

по прочности контакта с грунтом природного сложения, подстилающим уплотненную зону Fu3.

Определяющей, как правило, является несущая способность по жесткому материалу Fu1 или по грунту Fu2Fu3 определяемая по известным формулам [9]:

FugС ·Rm ×AнкН (1)

где с  коэффициент условий работы фундамента, принимаемый равным 1,0;
Rm  расчетное сопротивление жесткого материала под заостренным концом фундамента, принимаемое равным для: жесткого бетона, щебня, гравия – 10 МПа, крупного песка – 5 МПа; 
Aн  площадь нижнего сечения фундамента.

Fu2 = gс·[ gCR· Rs· ушd p· m· (w· gc1 i ·g2· E· x)], кН (2)

где gс и gCR  коэффициенты условий работы, равные 1,0;
Rs  расчетное сопротивление уплотненного грунта под уширением;
Aуш  площадь поперечного сечения уширенного основания из жесткого материала в месте его наибольшего уширения: Aуш = 3,14·
dp  высота наклонной части фундамента, находящейся в грунте;
um – периметр поперечного сечения фундамента в его средней части;
fw – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности наклонной части фундамента;
– уклон боковых стенок фундамента в долях единицы;
gc1 – коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности фундамента, принимаемый равным gс1 = 0,8;
gc2 – коэффициент условий работыпринимаемый равным gc2 = 0,5;
Е – компрессионный модуль деформации верхнего слоя грунта естественной структуры в водонасыщенном состоянии при давлении, не превышающем начальное просадочное давление Rsl ;
r – реологический коэффициент, принимаемый равным r = 0,8.
Расчетное сопротивление уплотненного грунта под уширением определяется по таблице в зависимости от возможной консистенции уплотненного грунта и глубины от поверхности до низа уширенного основания.

Fu3 = gс ·[gg ·Ry ·As dp ·um ·( fw·gc1 i ·Eк· gc1·xр)], (3)

где gс – коэффициент условий работы, принимаемый равным gс = 1,0;
gg – коэффициент условий работы подстилающего неуплотненного слоя грунта;
Ry – расчетное сопротивление подстилающего слоя грунта, определяемое для непросадочных грунтов по [10], а для просадочных грунтов принимаемое равным Ку·Рsl;
Ек – компрессионный модуль деформации, МПа;
Ку – коэффициент, принимаемый равным Ку = 1,2 (испытание штампом), Ку = 1,5 (компрессионные испытания);
Рsl – начальное просадочное давление;
Аs – площадь поперечного сечения уплотненной зоны в месте ее наибольшего размера;
um – периметр поперечного сечения фундамента в его средней части, м;
– наклон боковых граней фундамента.
Остальные обозначения те же, что и в формулах для Fu2.
Авторами проведены исследования влияния объема втрамбованного щебня на несущую способность фундамента в вытрамбованном котловане для заданных грунтовых условий.

Основание принято однородным из пылевато-глинистого грунта со следующими физико-механическими характеристиками: сd = 1,6 т/м3; с = 1,8 т/м3Iр = 0,12; I= 0,5; Е = 6 МПа; ц = 80 ; с = 10 кПа; Sr = 0,7. 
Рассмотрим фундамент с глубиной трамбования 3,0 и 5,0 метров, устраиваемый с помощью круглой трамбовки с диаметрами сечения: по верху dв = 0,8 м; по низу dн = 0,6 м. Радиус уширения изменяется в допустимых нормами пределах и зависит от объема втрамбованного щебня и формы уширения по формуле:

rуш = k,

где V – объем втрамбованного в дно жесткого материала, м;
k– коэффициент, учитывающий форму уширения, который при втрамбовывании жесткого материала отдельными порциями высотой (1,5 – 2)dн трамбовками с заостренным нижним концом принимается в виде шара или эллипсоида вращения. Максимальный диаметр уширения, получаемый при втрамбовывании жесткого материала, принимается не более удвоенного диаметра нижнего сечения трамбовки Dу ≤ 2dн.
Произведены вычисления несущей способности фундамента для значений диаметра уширения: 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5 метров (табл. 1). При диаметре трамбовки в нижнем сечении 0,8 метров уклона боковой поверхности фундамента не будет, это соответствует предельно возможному решению при заданных параметрах фундамента. 
Таблица 1. Факторы, влияющие на несущую способность ФВК

Длина ФВК,
L, м
Диаметр
уширения,
D, м3
Несущая
способность
Fu1, кН
Несущая
способность
Fu2, кН
Несущая
способность
Fu3, кН
Несущая
способность
Fd, кН
Объем щебня
Vщ , м3
Удельная несущая
способность
Fdу, кН
Объем сваи
 , м3
3
0,6
2500
1037
1155
1037
0,11
705
1,47
0,8
2500
1315
1525
1315
0,27
895
1,47
1,0
2500
1671
2000
1671
0,52
1137
1,47
1,2
2500
2104
2581
2104
0,91
1431
1,47
1,5
2500
2900
3651
2500
1,77
1700
1,47
5
0,6
2500
1525
1634
1525
0,11
622
2,45
0,8
2500
1812
2004
1812
0,27
740
2,45
1,0
2500
2181
2479
2181
0,52
890
2,45
1,2
2500
2632
3060
2500
0,91
1020
2,45
1,5
2500
3464
4129
2500
1,77
1020
2,45

Для фундаментов в вытрамбованных котлованах различной длины определяем удельную несущую способность по формуле:

,

По результатам расчета несущей способности фундамента и основания построены графики изменения Fu1, Fu2, Fu3. Результаты расчета представлены на графиках зависимости несущей способности от объема и от диаметра уширения Fd, = f (Vщ) (рис.1) и Fd, = f (D) (рис.2).

Рис.1. График зависимости несущей способности FdкН

от объема втрамбованного щебня Vщ при различной длине трамбовки

В результате исследований установлено, что втрамбование жесткого материала в уплотненную зону грунта повышает несущую способность фундамента в вытрамбованном котловане в 2ч2,4 раза. Такое повышение несущей способности за счет щебня экономически весьма эффективно, так как стоимость щебня в 3ч4 раза ниже стоимости бетона. 
Стоимость фундамента в вытрамбованном котловане с уширенным основанием ниже по сравнению с фундаментом без уширения на 30-35 % при одинаковой несущей способности. Экономический эффект достигается за счет уменьшения длины ФВК и набора заданной расчетно-допускаемой нагрузки за счет устройства уширения из щебня.

Рис.2. График зависимости несущей способности FdкН

от диаметра уширения D, м3 при различной длине трамбовки

Из анализа изменения значений несущей способности можно сделать вывод, что для принятых грунтовых условий и геометрических параметров фундамента при устройстве ФВК с использованием трамбовки разной длины близким к оптимальному будет решение при объеме втрамбованного щебня Vщ = 1,77 м3, несущей способности по жесткому материалу Fu1Fd = 2500 кН и глубине трамбования Lфвк = 3 м.
Следует отметить, что с увеличением диаметра уширения возрастает удельная несущая способность, приходящаяся на 1 м3 втрамбованного щебня, и увеличивается разность между значениями несущей способности фундамента по жесткому ядру уширения и по уплотненной зоне грунта при выполнении условия, что диаметр уширения не превосходит удвоенного значения диаметра трамбовки по низу Dу ≤ 2dн. Поэтому, с экономической точки зрения значительное увеличение диаметра уширения нецелесообразно.
Для фундаментов, имеющих постоянные значения параметров верхнего и нижнего сечений, при изменении глубины их погружения в грунт несущая способность по жесткому материалу остается постоянной. С увеличением глубины погружения от 3 до 5 метров несущая способность фундамента по уплотненному слою возрастает в 1,2ч1,5 раз. Находим точку пересечения графиков несущих способностей и определяем оптимальную глубину погружения рассматриваемого фундамента для принятых грунтовых условий стройплощадки. 
В результате исследований установлено, что удельная несущая способность ФВК длиной L= 5 м уменьшается по сравнению с ФВК длиной L= 3 м при изменении диаметра уширения от 0,6 до 1,5 м на 12ч40%. Поэтому наиболее выгодным является увеличение ядра жесткости фундамента в вытрамбованном котловане, нежели увеличение глубины заложения фундамента, так как увеличение уширения диаметра фундамента ведет к меньшим затратам объемов наиболее дорогостоящего материала – бетона. 
Наличие уширения позволяет управлять несущей способностью фундамента. Вид жесткого материала для создания уширения необходимо выбирать в зависимости от нагрузок на фундаменты, наличия местных относительно дешевых материалов, таких как щебень или песок, размеров уширения, условий производства работ и т.п. При производстве работ в зимнее время рекомендуется применять несмерзаемый сыпучий материал типа щебня, гравия без пылеватых и глинистых частиц.
При устройстве фундаментов в вытрамбованных котлованах по сравнению с обычными столбчатыми и ленточными фундаментами, а в ряде случаев и со свайными, существенно снижается расход бетона, металла, стоимость и трудоемкость работ.


Библиографический список
  1. Глухов В.С., Хрянина О.В., Глухова М.В. Сравнительный анализ несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах на комбинированном грунтовом основании // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/05/53396 (дата обращения: 28.05.2015).
  2. Глухов В.С., Хрянина О.В., Глухова М.В. Исследование влияния уширения фундаментов в вытрамбованных котлованах на осадку // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/51435 (дата обращения: 06.04.2015).
  3. Глухов В.С., Хрянина О.В., Глухова М.В. Формирование улучшенного основания фундаментов в вытрамбованных котлованах на слабых грунтах // Актуальные проблемы современного строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С.70–73.
  4. Глухов В.С., Хрянина О.В., Глухова М.В. К расчету грунтового основания фундаментов в вытрамбованных котлованах // Актуальные проблемы современного строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С.73–76.
  5. Глухов В.С, Хрянина О.В., Глухова М.В. Пути уменьшения деформаций грунтового основания фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширением // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2012. С. 150–152.
  6. Деготьков В.В., Хрянина О.В., Глухова М.В. Фундаменты в вытрамбованных котлованах на просадочных грунтах Новосибирской области // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2011. С. 106–110.
  7. Глухов В.С., Хрянина О.В., Глухова М.В. Повышение несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах на слабых грунтах // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2012. С.143–147.
  8. Хрянина О.В., Ежов Д.А. Влияние диаметра уширения на несущую способность фундаментов в вытрамбованных котлованах // Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 118-122.
  9. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 1986. 415 с.
  10. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция. М., 2011.


Все статьи автора «Хрянина Ольга Викторовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация