В нашей стране огромный процент зданий и сооружений

Реклама
ISSN 1994-0351. Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2015. Вып. 4(40). www.vestnik.vgasu.ru
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
УДК 624.131.54
В. П. Дыба, И. И. Краснопольский
КОРРЕКТИРОВКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЗДАНИЯ
ВЫБУРИВАНИЕМ ГРУНТА ИЗ-ПОД ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА
Приведены основные методы устранения сверхнормативных деформаций зданий и сооружений, а также выявлены области применения каждого из методов. Рассматривается метод
вычисления основных параметров перфорированного основания, основанный на оценке несущей способности грунта.
К л ю ч е в ы е с л о в а: сверхнормативные деформации, выбуривание грунта, перфорированное основание, параметры бурения, оценка несущей способности.
The basic methods of elimination of excessive deformations of buildings and structures are provided in the article, as well as areas of application of each method are identified. The method of calculating the basic parameters of the perforated foundation based on the assessment of the soil bearing
capacity is considered.
K e y w o r d s: excessive deformations, drilling out soil, perforated foundation, drilling parameters, assessment of bearing capacity.
В нашей стране огромный процент зданий и сооружений находится в
аварийном состоянии, немалую долю из этого фонда составляют объекты,
которые в процессе эксплуатации подверглись воздействию сверхнормативных неравномерных деформаций грунтового основания. В результате такого
воздействия здания претерпевают изменения геометрического положения
конструкций в пространстве, которые в большинстве случаев имеют вид кренов. Для таких объектов строительства необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий, к которым можно отнести работы по стабилизации деформаций грунтового основания и восстановлению его проектного
положения.
Технологии по стабилизации деформаций грунтового основания способствуют лишь предупреждению их дальнейшего развития и ликвидации причин, тогда как для устранения последствий неравномерных деформаций в
настоящее время в практике нашли место три способа:
опускание здания или его части путем выбуривания грунта из-под подошвы фундамента;
опускание здания или его части за счет изменения прочностных и деформационных характеристик грунта основания (замачивание грунта);
подъем и выравнивание зданий с помощью домкратов.
Ни один из этих методов не является универсальным. Применение каждого из способов в конкретном случае должно иметь как экономическое
обоснование, так и обоснование с точки зрения простоты и безопасности технологии производства работ.
Для устранения кренов жилых и общественных зданий в нашей стране
широко применяется технология подъема и выравнивания с помощью гидравлических домкратов, основные разработки по данной тематике принадлежат НПФ «Интербиотех». Но проблема сверхнормативных деформаций грунтового основания встречается не только в гражданском строительстве, она
1
ISSN 1994-0351. Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2015. Вып. 4(40). www.vestnik.vgasu.ru
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
также актуальна для промышленных сооружений, в частности это касается
зданий башенного типа (дымовых труб, силосов, напорных башен, резервуаров). Особенностью таких объектов является массивный фундамент, жестко
связанный с наземной частью, при этом центр тяжести у них смещен к подошве фундамента. Подъем и выравнивание предполагают формирование
линии отрыва между фундаментом и наземной частью, что в случае зданий
башенного типа будет сопровождаться изменением положения центра тяжести и возникновением значительного эксцентриситета, который при больших
кренах здания может повлечь за собой сползание сооружения с домкратов.
В связи с этим метод подъема при помощи гидравлических домкратов для
таких сооружений неприемлем. Более эффективным способом корректировки
геометрического положения в пространстве сооружений башенного типа являются две другие технологии, которые не предусматривают конструктивных
изменений здания.
Способ замачивания грунтового основания фундаментов сооружений является наименее контролируемым и непредсказуемым вследствие изменения
характеристик грунтов основания в обширной области под фундаментом, что
требует установления жесткого мониторинга в процессе производства работ.
Метод выбуривания грунта из-под подошвы фундаментов — более перспективное направление при корректировке пространственного положения зданий
и сооружений, так как изменение характеристик грунтов в основании происходит лишь в месте удаления грунта.
Технология выбуривания грунта из-под подошвы фундаментов нашла
применение на Украине. Развитием данного метода занимаются специалисты Запорожского отделения Киевского НИИСК. Расчет параметров выбуривания при проектировании выравнивания сооружений по запорожской
методике основан на использовании формул, содержащих экспериментальные коэффициенты, полученные опытным путем для различных грунтовых
условий [1, 2].
В настоящее время на кафедре промышленного, гражданского строительства, геотехники и фундаментостроения Южно-Российского государственного политехнического университета предложена перспективная методика определения параметров бурения, основанная на теории оценки несущей
способности, примененной к перфорированному грунтовому основанию.
Методика выравнивания зданий и сооружений выбуриванием грунта основана на создании дополнительных деформаций ослабленного перфорированного слоя в грунтовом массиве, созданного бурением горизонтальных
скважин под фундаментом здания. Развитие деформаций получает место в
случае разрушения основания, т. е. возникновения областей пластического
течения грунта вокруг цилиндрических полостей. Определяющим фактором
при этом являются контактные напряжения по подошве фундамента здания,
от которых будут зависеть основные параметры бурения: глубина заложения
скважин от подошвы фундамента, шаг и диаметр скважин.
Таким образом, расчет перфорированного основания по предлагаемой
методике заключается в решении трех задач:
1. Оценка максимальных деформаций при горизонтальном выбуривании
грунта из-под подошвы фундамента.
2
В. П. Дыба, И. И. Краснопольский
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Определение максимальной глубины заложения ho цилиндрической
полости в грунтовом нагруженном массиве, при которой вокруг полости появляется пластическое течение грунта.
3. Задача о несущей способности грунтового массива, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой, ослабленного рядом цилиндрических
отверстий.
В первую очередь определяют контактные напряжения, действующие по
подошве фундамента с учетом фактического крена в соответствии с
СП 22.13330.2011 и актуализированной редакцией СНиП 2.02.01—83* «Основания зданий и сооружений». Затем, в соответствии с фактическим положением геометрического положения здания, строят эпюру деформаций, необходимых для выравнивания.
При выбуривании из-под фундамента извлекается известный объем
грунта, в результате образуются пустоты в основании. При разрушении участков между скважинами пустоты заполняются грунтом. Можно оценить
максимально возможные перемещения, получаемые при выбуривании ряда
горизонтальных скважин, по следующей формуле:
S=
πd 2
,
4a
где d — диаметр скважин; а — шаг скважин в осях.
На следующем этапе рассмотрим задачу о максимальной глубине ho
заложения цилиндрической полости диаметром D в грунтовом нагруженном массиве. Области пластического течение грунта, в которых оба семейства характеристик криволинейны, определяются уравнением (1), выведенным в [3]:
∂ 2 X 1 ∂ 2 X A − 1 ∂X
−
=
− X.
∂θ2 A ∂σ12
A ∂σ1
(1)
Пусть X = aeδ1 , тогда уравнение (1) удовлетворяется. Из соответствующей системы в [3] следует У = 0. После перехода к физическим координатам
получим пластическое распределение напряжений вокруг полости:
A −1
⎧
C ⎡ ⎛r⎞ ⎤
⎪σ1 =
⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ ,
A − 1 ⎢⎣ ⎝ a ⎠ ⎥⎦
⎪
⎨
⎪σ3 = −C + Aσ1 ,
⎪θ = ω,
⎩
где C =
2c cos ( ϕ )
1 − sin ( ϕ )
; A=
1 + sin ( ϕ )
1 − sin ( ϕ )
(2)
; C — удельное сцепление грунта; φ — угол
внутреннего трения.
В распределении (2) радиальные и тангенциальные площадки являются
главными, причем σr = σ1 , σω = σ3 . Эпюры этих напряжений представлены
на рис. 1.
3
ISSN 1994-0351. Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2015. Вып. 4(40). www.vestnik.vgasu.ru
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Рис. 1. Распределение напряжений вокруг цилиндрической полости в грунте
Используем полученное распределение напряжений (2) для оценки ho
(рис. 2).
Рис. 2. Цилиндрическая полость в грунтовом массиве
Пусть Р — давление под подошвой фундамента. Тогда из первой формулы (2) следует:
A −1
C ⎡ ⎛h⎞ ⎤
−P =
⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ .
A − 1 ⎢⎣ ⎝ R ⎠ ⎥⎦
Из последнего выражения найдем h:
1
⎡ P ( A − 1) ⎤ A−1
h = R ⎢1 +
.
C ⎥⎦
⎣
Так как ho = h – R, то искомая величина ho зависит от величины нагрузки
Р, прочностных характеристик грунта, радиуса полости следующим образом:
1
⎡ P ( A − 1) ⎤ A−1
hо = R ⎢1 +
− R.
C ⎥⎦
⎣
(3)
4
В. П. Дыба, И. И. Краснопольский
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Имея значения давлений по подошве фундамента, можно построить графики зависимостей величины ho от фактических прочностных характеристик
грунтового основания при заданном радиусе пробуриваемой полости.
Грунт вокруг одиночной полости с заданным диаметром перейдет в пластическое состояние и будет разрушаться, если толщина кровли ho будет
меньше, чем предельное значение, определенное в зависимости от прочностных характеристик грунта при заданном давлении по (3).
Рассмотрим задачу о несущей способности грунтового массива, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой, ослабленного рядом цилиндрических отверстий.
Вырежем из перфорированного грунтового массива регулярный участок
(рис. 3).
Допустим, что фундамент опирается на ряд «столбов», заменяющих простенки между рядом цилиндрических полостей (рис. 4). Тогда средние давления на них Р1 выше давлений под подошвой фундамента Р и связано с ним
следующей формулой:
P1 =
2H + D
P.
2H
(4)
Рис. 3. Регулярная часть грунтового
массива
Рис. 4. «Столб» грунта
Предельное напряженное состояние в «столбах» грунтов (см. рис. 4) определяется кругом Мора (рис. 5).
Из рис. 3 ясно, что
⎛π ϕ⎞
P1 = 2c ⋅ ctg ⎜ − ⎟ .
⎝4 2⎠
(5)
Из (4) и (5) следует, что разрушающее давление Р на массив грунта, ослабленного рядом «прямоугольных» полостей, вычисляется по следующей
формуле:
P=
4cH
⎛ π ϕ⎞
ctg ⎜ − ⎟ .
2H + D
⎝4 2⎠
(6)
5
ISSN 1994-0351. Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2015. Вып. 4(40). www.vestnik.vgasu.ru
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Рис. 5. Круг Мора
Наличие материала выше и ниже горизонтального диаметра кругло цилиндрической полости по сравнению с «прямоугольной» полостью сдерживает пластическое течение и повышает предельную нагрузку (6).
Назовем отношение предельной нагрузки на регулярную часть грунтового массива (2H + D)P к предельной нагрузке на «столб» грунта 2HP1 коэффициентом усиления k.
Коэффициент усиления можно вычислить методом, описанным в работе
[3]. Однако в настоящей работе воспользуемся приближенными значениями,
найденными по аналитическим формулам справочника [4]:
R⎞ ⎛ H⎞
⎛
k ( H ) = ⎜1 + ⎟ ln ⎜ 1 + ⎟ .
R⎠
⎝ H⎠ ⎝
С учетом коэффициента усиления k разрушающее давление Р на массив
грунта, ослабленного рядом цилиндрических полостей, находится по формуле
P=
4kcH
⎛ π ϕ⎞
ctg ⎜ − ⎟ .
2H + D
⎝4 2⎠
(7)
Из данного выражения находим искомую величину Н:
H=
D
.
⎛ π ϕ⎞
4kc ⋅ ctg ⎜ − ⎟
⎝4 2⎠ −2
P
(8)
Таким образом, расстояние между скважинами можно оценить по (8), задавая прочностные характеристики грунтов с, φ и давление Р. На практике
при расчете для конкретных характеристик грунтов можно построить график
зависимости предельного давления под подошвой фундамента от расстояния
между цилиндрическими полостями.
На основе вышеизложенных положений в 2011 г. специалистами научнопроизводственной фирмы ООО «СтройПЭН» был разработан проект устра6
В. П. Дыба, И. И. Краснопольский
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
нения сверхнормативного крена кирпичной дымовой трубы, расположенной
на территории ЗАО «Кабельный завод Кавказкабель» (г. Прохладный).
Метод выравнивания зданий и сооружений выбуриванием грунта из-под
подошвы фундамента является перспективным направлением в данной области и во многих случаях может являться более простым и менее трудоемким, чем другие технологии. С целью развития представленной методики
расчета возможна разработка программного продукта, позволяющего рассчитывать параметры перфорированного основания, используя верхние оценки
несущей способности, полученные методами предельного анализа пластических систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пулатов А. П. Работа оснований при выравнивании сооружений способом бурения горизонтальных и наклонных скважин : дисс... канд. техн. наук. Киев, 1986.
2. Способ выравнивания зданий, сооружений : пат. 65455 Украина. / И. В. Степура,
В. С. Шокарев, А. В. Павлов, А. С. Трегуб, Р. В. Самченко. — № 2003109485 ; заявл.
21.10.2003 ; опубл. 15.03.2004, Бюл. № 3.
3. Дыба В. П. Оценки несущей способности фундаментов : моногр. Новочеркасск :
ЮРГТУ(НПИ), 2008. 200 с.
4. Прочность, устойчивость, колебания : справ. В 3 т. Т. 1. / Под ред. И. А. Биргера и
Я. Г. Пановко. М. : Машиностроение, 1968. С. 78.
1. Pulatov A. P. Rabota osnovanii pri vyravnivanii sooruzhenii sposobom bureniya
gorizontal'nykh i naklonnykh skvazhin : diss... kand. tekhn. nauk. Kiev, 1986.
2. Sposob vyravnivaniya zdanii, sooruzhenii : pat. 65455 Ukraina. / I. V. Stepura,
V. S. Shokarev, A. V. Pavlov, A. S. Tregub, R. V. Samchenko. — № 2003109485 ; zayavl.
21.10.2003 ; opubl. 15.03.2004, Byul. № 3.
3. Dyba V. P. Otsenki nesushchei sposobnosti fundamentov : monogr. Novocherkassk :
YuRGTU(NPI), 2008. 200 s.
4. Prochnost', ustoichivost', kolebaniya : sprav. V 3 t. T. 1. / Pod red. I. A. Birgera i
Ya. G. Panovko. M. : Mashinostroenie, 1968. S. 78.
© Дыба В. П., Краснопольский И. И., 2015
Поступила в редакцию
в июле 2015 г.
Ссылка для цитирования:
Дыба В. П., Краснопольский И. И. Корректировка геометрического положения здания выбуриванием
грунта из-под подошвы фундамента // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2015. Вып. 4(40). Ст. 1. Режим доступа: http://www.vestnik.vgasu.ru/
For citation:
Dyba V. P., Krasnopol’skii I. I. [Correction of geometric position of the building by drilling out soil from
under the foundation]. Internet-Vestnik VolgGASU, 2015, no. 4(40), paper 1. (In Russ.). Available at:
http://www.vestnik.vgasu.ru/
7
Скачать