RSS

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ СООРУЖЕНИЙ НА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОПОЛЗНЕВЫХ СКЛОНАХ

14:20 30.05.2017

Берега озерной части многих водохранилищ, даже на равнинных реках часто являются достаточно высокими и крутыми. Это осложняет возможность использования участков земли расположенных вблизи потенциально опасных оползневых склонов для строительства капитальных сооружений. Темпы переработки некоторых участков берегов ряда водохранилищ весьма высоки. Например, скорость отступления абразивных берегов Угличского водохранилища (на участках общей протяженностью 130 км) может достигать величины 0.5-1.5 м в год и более. Как показывают результаты многолетних наблюдений, тенденции к стабилизации таких склонов не прослеживается [1]. Таким образом, здание, построенное даже за пределами прибрежной зоны (20 м) через несколько лет может оказаться в опасной близости от оползневого склона.

Некоторые специальные сооружения вообще, исходя из их функционального назначения, желательно размещать максимально близко к урезу воды (насосные станции, сооружения портовой инфраструктуры и другие). Часть уже построенных сооружений из-за активной переработки берегов также могут со временем испытывать опасные деформации из-за смещения оползневого массива грунта и нуждаются в усилении фундаментов и конструкций [2].

Это обстоятельство требует разработки новых способов строительства и реконструкции зданий вблизи оползневых склонов.

При возведении здания и сооружения вблизи потенциально-опасного оползневого откоса желательно минимизировать вертикальную нагрузку от здания на верхнюю часть оползневого массива. В виду этого применение фундаментов мелкого заложения нецелесообразно, так как может привести к обрушению береговой части массива (рис. 1).

Рис. 1. Схема обрушения сооружения на фундаменте мелкого заложения в результате потери устойчивости откоса из за дополнительной нагрузки от веса здания на массив

В этих случаях более предпочтительными являются фундаменты глубокого заложения, в частности, свайные фундаменты, которые передают нагрузки от сооружения на нижнюю часть массива за пределы потенциальной линии скольжения.

Свайные фундаменты различают по способам устройства:

· сваи, погружаемые в грунт динамической нагрузкой (забивные, вибропогружаемые);

· буронабивные;

· сваи, погружаемые в грунт статической нагрузкой (задавливаемые) [3].

Устройство фундаментов из забивных свай или свай или погружаемых вибропогружателями в непосредственной близости от оползневого склона представляется достаточно опасным, так как в этом случае на массив грунта будут передаваться значительные динамические нагрузки. Они могут вызвать увеличение порового давления в водонасыщеных грунтах, вызвать разжижение массива, уменьшение его несущей способности и, как следствие, потерю устойчивости склона. Кроме этого, инженерно-геологические условия ряда регионов часто делают невозможным применение забивных свай. Например, моренные суглинки, слагающие борта Угличского водохранилища, содержат включения валунов, поэтому возникает опасность недобивки ряда свай до проектной отметки [1, 2].

Применение буронабивных или буроиньекционных свай сдерживает то обстоятельство, что для полного включения их в работу свайный фундамент должен претерпеть определенные осадки (порядка 3-7 см), чтобы полностью мобилизовались силы трения и сопротивления по боковой поверхности сваи. При осадке свай на оползневую часть массива будет передаваться часть вертикальной нагрузки от здания (за счет трения по боковой поверхности и нагрузке от осадки ростверка). Это также может привести к потере устойчивости массива. Следует отметить, что при производстве работ по изготовлению буронабивных и буроиньекционных свай стенки скважины могут оплывать, что будет нарушать сплошность ствола сваи.

Наиболее привлекательными в таких условиях являются сваи, погружаемые статической нагрузкой (задавливаемые сваи). Они обладают рядом важных преимуществ [4]:

- при производстве работ они не создают динамических нагрузок на грунт;

- в процессе погружения по величине усилия задавливания можно точно определить несущую способность каждой сваи [5];

- поскольку сваи являются предварительно напряженными вдавливающей нагрузкой, такой фундамент будет практически «безосадочным».

К настоящему времени разработано оборудование и технология устройства таких фундаментов: свая погружается в грунт вертикальным статическим усилием, которое создается нагрузочной системой домкратов или лебедок. Для этого используются специальные сваепогружающие установки (СПУ). Основная проблема такой технологии – восприятие реактивного усилия при задавливании сваи, направленного вертикально вверх, достигается следующими методами:

- использованием в момент задавливания сваи временных статических пригрузов;

- применением винтовых буров-анкеров на аутригерах СПУ, которые при погружении сваи заглубляются в грунт и воспринимают реактивную составляющую;

- применение СПУ установленных на базе тяжелых гусеничных кранов (СКГ–40, ДЭК–50) или экскаваторов (ЭО–6122). В этом случае сама масса СПУ (30–60 т) обеспечивает восприятие реактивной составляющей задавливания.

В настоящее время в строительстве используется большое количество различных установок для вдавливания свай [6].

К достоинствам этой технологии можно отнести:

- отсутствие ударных нагрузок на сваю, которые могут повредить оголовок сваи;

- отсутствие динамических нагрузок на близкорасположенные здания и сооружения;

- контроль фактической несущей способности каждой сваи по усилию вдавливания.

Недостатками данного метода является необходимость применения громоздкой и тяжелой техники. В ряде случаев для реализации метода требуется бурение лидерных скважин. Фотография установки для задавливания свай приведена на рис. 2.

Рис. 2. Фото установки для задавливания свай статической нагрузкой

В последнее время задавливаемые статической нагрузкой сваи стали часто использоваться для усиления фундаментов зданий при реконструкции зданий [4 , 7, 8, 9]. Для этого существующий фундамент мелкого заложения реконструируемого здания дополняют железобетонным ростверком с отверстиями для пропуска свай и закладными деталями с последующим креплением к ним установки задавливания. Для надежного соединения ростверка с существующим фундаментом в нем по месту расположения ростверка устраивают специальные углубления (штрабы), и ростверк дополнительно скрепляют с телом фундамента анкерами. После этого производят погружение свай статической нагрузкой при помощи нагрузочного устройства (силовых цилиндров) и верхний конец погруженных свай закрепляют в ростверке (рис. 3).

Рис. 3. Схема усиления фундамента задавливаемыми сваями. 1 - стена реконструируемого здания; 2 - существующий фундамент; 3 - прикрепляемый ростверк с отверстиями для пропуска свай; 4 - анкера; 5 - задавливаемые сваи

Такая технология успешно использовалась для усиления фундаментов ряда зданий в Москве (например, здания по адресам: Волхонский пер., д. 3, Глинищевский пер., д. 5/7, Петровский пер., д. 6, Чистый пер., д. 10/2 и мн. др.) [9].

Для реализации этой технологии ряд специализированных фирм («Фундатор», «Эмеральд») разработали мобильные компактные установки, позволяющие задавливать металлические сваи с закрытым нижним концом диаметром 80-250 мм на глубину 10-15 м. После заполнения внутренней полости бетоном такие сваи обладают несущей способностью 30-70 т.

Подобная технология была использована в регионе Верхневолжских водохранилищ при усилении фундаментов здания музея в г Рыбинске (рис. 4) . Там же технология использовалась для усиления фундаментов гостиничного комплекса [10].

а) б)

Рис. 4. а) Здание музея в г. Рыбинске; б) Ростверк для погружения свай статической нагрузкой

Также в последние годы получили развитие комбинированные свайно-плитные фундаменты [11, 12]. Такие фундаменты достаточно эффективны в некоторых случаях, однако конструкция плиты и свай не полностью включаются в работу [13].

В лаборатории геомеханики ИПРИМ РАН разработана новая технология строительства зданий, в том числе вблизи оползневых склонов с использованием свай задавливаемых статической нагрузкой, сущность которой заключается в следующем.

На первом этапе устраивают фундамент мелкого заложения из сборного или монолитного железобетона, в теле которого имеются отверстия для последующего пропуска свай и закладные детали для крепления установки для задавливания свай в грунт. Далее на этом фундаменте начинает возводиться здание, но не полностью, а до определенного количества этажей. Глубина заложения фундамента определяется, главным образом, исходя из конструктивных особенностей здания (наличия подвала). Ширина подошвы фундамента рассчитывается исходя из условия, чтобы давление под подошвой от веса части недостроенного по высоте здания не превышало расчетного сопротивления грунта, и массив сохранял свою устойчивость. При этом нагрузка, передаваемая на фундамент здания (на колонну, или на погонный метр ленточного фундамента) должна быть не меньше усилия, требуемого для задавливания одной сваи (определяется расчетом с учетом коэффициента запаса).

Верхние конструкции здания могут быть возведены, как из сборного, так и из монолитного железобетона или из кирпичной кладки. При этом для повышения технологичности возможно в нижних перекрытиях здания устраивать временные отверстия, находящиеся непосредственно над «окнами» в фундаменте, через которые заранее пропускаются сваи.

Далее к закладным деталям фундамента прикрепляют установку для задавливания свай, включающую подвижную раму с захватами и силовые гидроцилиндры (рис. 5).

Рис. 5. Схема установки для задавливания свай. 1 - фундаментная плита; 2 - стена здания; 3 - задавливаемая свая; 4 - силовые гидроцилиндры; 5 - отверстия для пропуска свай; 6 - нагрузочная балка с зажимами; 7 – закладная деталь

Затем, одновременно, продолжают возводить верхние строения здания и осуществлять погружение (задавливание) свай и их замоноличивание в ростверк. Устройство свай производится в зависимости от расстояния до склона: первыми погружаются сваи, находящиеся дальше от бровки откоса. При устройстве следует учесть, что нижние концы свай не должны опираться на оползневой массив, а, прорезая тело оползня, передавать нагрузку только на устойчивые грунты ниже потенциальной поверхности скольжения (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Схема возведения здания вблизи от оползневого склона: а) первый этап: устройство плиты и возведение здания до определенного количества этажей; б) второй этап: задавливание свай до проектной отметки с одновременным возведением верхних конструкций

По мере задавливания свай и, соответственно, повышения несущей способности фундаментов, здание можно возводить до проектного количества этажей. Следует отметить, что задавливаемые сваи замоноличиваются в ростверк в «напряженном» состоянии, для чего вертикальную нагрузку не снимают вплоть до замоноличивания сваи в ростверк. Кроме того, в процессе погружения свай фиксируют усилие задавливания и сваи продолжают погружать до тех пор, пока усилие задавливания не станет превышать требуемого расчетного усилия на сваю.

Данный фундамент мелкого заложения с отверстиями для пропуска свай выполняет тройную функцию. Сначала, до строительства части здания по высоте, он работает как фундамент мелкого заложения и воспринимает нагрузку от недостроенной части здания, в момент погружения свай фундамент-ростверк выполняет функцию пригрузки, обеспечивающей восприятие реактивного усилия от задавливания свай за счет веса возведенных к этому времени конструкций. После устройства и замоноличивания свай этот конструктивный элемент выполняет функцию ростверка. Это позволяет повысить технологичность и надежность сооружения.

Предлагаемый способ возведения зданий обладает рядом существенных преимуществ:

- при устройстве фундамента на грунт не передаются динамические нагрузки;

- так как задавливание свай осуществляется одновременно с возведением верхних конструкций, общая продолжительность строительства сокращается на 10-15%;

- общая стоимость фундаментов сокращается на 30-35% за счет того, что ростверк воспринимает часть нагрузки на здание, что позволяет уменьшить количество свай;

- повышается надежность такого комбинированного фундамента, так как в процессе погружения по усилию вдавливания определяется реальная несущая способность каждой сваи;

- фундамент, возведенный по предлагаемой технологии, будет испытывать осадки только до погружения свай. В дальнейшем, поскольку при погружении свай они «опресовываются» большей нагрузкой, чем последующая нагрузка на каждую сваю от веса полностью построенного здания фундамент практически не будет испытывать осадок;

- в случае возникновения на первой стадии неравномерных осадок, изменяя последовательность задавливания свай можно, в определенной степени, «управлять» осадками сооружения и выравнивать возможные крены.

Для экспериментальной проверки метода в лабораторных и полевых условиях была поставлена серия опытов на модели комбинированного свайно-плитного фундамента [14]. На рис. 7 показана демонстрационная модель, показывающая различие в характере передачи нагрузки на грунт при плитном, свайном и комбинированном фундаментах. При плитном фундаменте вся нагрузка передается на грунт, расположенный непосредственно под подошвой плиты. При свайном фундаменте нагрузка передается под нижний конец свай, а грунт под ростверком нагрузку практически не воспринимает. При комбинированном фундаменте, выполненным по предлагаемой технологии, часть нагрузки воспринимается ростверком, а часть передается на грунт, расположенный под нижним концом свай, что делает конструкцию в целом более экономичной [15].

а) б) в)

Рис. 7. Демонстрационная модель, иллюстрирующая различие передачи нагрузки на грунт в плитном (а), свайном (б) и предлагаемом комбинированном фундаменте (в)

Принципиальная схема полевой установки показана на рис. 8. Полевые эксперименты на модели комбинированного фундамента проводились на опытной площадке на берегу Угличского водохранилища. Грунт основания – моренные суглинки в мягко пластичном состоянии.

Рис. 8. Схема полевой установки. 1 - анкера; 2 - нагрузочная рама; 3 - плита с отверстиями; 4 - задавливаемые сваи; 5 - домкрат;6 - домкраты для погружения свай; 7 - месдозы; 8 - измерительная рама; 9 - тензостанция;10 - маслостанция с манометром

Эксперименты в лабораторных и полевых условиях проводились по одинаковой методике.

В лабораторных экспериментах на первой стадии на грунт, помещенный в лоток (песок средней крупности) устанавливалась модель плитного фундамента, состоящего из двух пластин, имеющих по углам отверстия для пропуска моделей свай. Один динамометр устанавливался между пластинами, а другой на верхней пластине (рис. 9, 10). С помощью гидродомкрата модель плитного фундамента нагружалась ступенчато возрастающей вертикальной нагрузкой и индикаторами часового типа ИЧ-100 измерялась осадка нижней пластины. Нагружение велось до тех пор, пока давление под нижней пластиной не достигнет величины 200 кПа.

На втором этапе с помощью гидроцилиндров, через отверстия в пластинах последовательно осуществлялось погружение свай статической нагрузкой. При этом регистрировалось усилие погружения свай.

На заключительном этапе оголовки свай жестко фиксировались в верхней пластине. При этом сваи могли свободно перемещаться в отверстиях нижней пластины. Далее, к верхней пластине продолжала прикладываться ступенчато возрастающая сжимающая нагрузка, и измерялись вертикальные перемещения нижней пластины. Величина общей нагрузки измерялась динамометром, установленным на верхней пластине, а величина нагрузки, передаваемой на грунт нижней пластиной динамометром, установленным между пластинами. Разница между полной нагрузкой и нагрузкой, передаваемой на грунт нижней пластиной, соответствует суммарной нагрузке, воспринимаемой сваями. В полевых экспериментах нагрузка измерялась месдозами.


а)