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 I_р ≥ 0,03 при плотности грунта в сухом состоянии с_d ≤ 1,6 т/м³ и степени влажности S_r ≤ 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 F_u1;

по прочности контакта с грунтом в пределах уплотненной зоны F_u2;

по прочности контакта с грунтом природного сложения, подстилающим уплотненную зону F_u3.

Определяющей, как правило, является несущая способность по жесткому материалу F_u1 или по грунту F_u2, F_u3 определяемая по известным формулам [9]:

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

где g_с и g_CR – коэффициенты условий работы, равные 1,0;
R_s – расчетное сопротивление уплотненного грунта под уширением;
A_уш – площадь поперечного сечения уширенного основания из жесткого материала в месте его наибольшего уширения: A_уш = 3,14·; 
d_p – высота наклонной части фундамента, находящейся в грунте;
u_m – периметр поперечного сечения фундамента в его средней части;
f_w – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности наклонной части фундамента;
i – уклон боковых стенок фундамента в долях единицы;
g_c1 – коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности фундамента, принимаемый равным g_с1 = 0,8;
g_c2 – коэффициент условий работы, принимаемый равным g_c2 = 0,5;
Е – компрессионный модуль деформации верхнего слоя грунта естественной структуры в водонасыщенном состоянии при давлении, не превышающем начальное просадочное давление R_sl ;
x _r – реологический коэффициент, принимаемый равным x _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.

где g_с – коэффициент условий работы, принимаемый равным g_с = 1,0;
g_g – коэффициент условий работы подстилающего неуплотненного слоя грунта;
R_y – расчетное сопротивление подстилающего слоя грунта, определяемое для непросадочных грунтов по [10], а для просадочных грунтов принимаемое равным R = К_у·Р_sl;
Е_к – компрессионный модуль деформации, МПа;
К_у – коэффициент, принимаемый равным К_у = 1,2 (испытание штампом), К_у = 1,5 (компрессионные испытания);
Р_sl – начальное просадочное давление;
А_s – площадь поперечного сечения уплотненной зоны в месте ее наибольшего размера;
u_m – периметр поперечного сечения фундамента в его средней части, м;
i – наклон боковых граней фундамента.
Остальные обозначения те же, что и в формулах для F_u2.
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: с_d = 1,6 т/м³; с = 1,8 т/м³; I_р = 0,12; I_L = 0,5; Е = 6 МПа; ц = 8⁰ ; с = 10 кПа; S_r = 0,7. 
Рассмотрим фундамент с глубиной трамбования 3,0 и 5,0 метров, устраиваемый с помощью круглой трамбовки с диаметрами сечения: по верху d_в = 0,8 м; по низу d_н = 0,6 м. Радиус уширения изменяется в допустимых нормами пределах и зависит от объема втрамбованного щебня и формы уширения по формуле:

r_уш = k,

где V_cк – объем втрамбованного в дно жесткого материала, м;
k– коэффициент, учитывающий форму уширения, который при втрамбовывании жесткого материала отдельными порциями высотой (1,5 – 2)d_н 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 D_у ≤ 2d_н.
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

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

,

По результатам расчета несущей способности фундамента и основания построены графики изменения F_u1, F_u2, F_u3. Результаты расчета представлены на графиках зависимости несущей способности от объема и от диаметра уширения F_d, = f (V_щ) (рис.1) и F_d, = f (D) (рис.2).

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.

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 V_щ = 1,77 м³, несущей способности по жесткому материалу F_u1= F_d = 2500 кН и глубине трамбования L_фвк = 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 D_у ≤ 2d_н. 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 D 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.

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»