В статье рассматривается новый способ повышения несущей способности плитных монолитных железобетонных фундаментов при реконструкции и строительстве зданий и сооружений.
УДК 624.154
А.В. ВЕСЕЛОВ, канд. техн. наук, доцент, В.Б. ГАВРИЛОВ, канд. техн. наук, доцент, кафедра проектирования зданий и строительных конструкций ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; А.А РОМАНИХИН, А.С. СКАРЛЫГИН, эксперты отдела безопасности зданий и сооружений ООО «ТехноГарант», г. Магнитогорск
Ключевые слова: плитные фундаменты, усиление, буронабивные сваи, сердечник сваи, реконструкция, грунт, гибкие связи.
Keywords: raft foundations, reinforcement, drilled piles, piles core, reconstruction, ground, flexible connection
Целью реконструкции любого строительного объекта является качественное и количественное улучшение его технических характеристик. Реконструкция жилых, общественных и промышленных зданий также производится для устранения их физического и морального износа и сопровождается усилением или заменой отдельных конструкций либо изменением размеров зданий путем их надстройки или пристройки [1]. При надстройке зданий вес надстраиваемых несущих и ограждающих конструкций создает дополнительную нагрузку к ранее действовавшей постоянной нагрузке на фундаменты. В ряде случаев новая нагрузка превышает существовавшую на 30-50%. Кроме того, вместе с ростом постоянных нагрузок на фундаменты реконструируемого здания обычно увеличиваются и временные длительно действующие, а также кратковременные нагрузки. Все это вызывает необходимость повышения несущей способности фундаментов реконструируемых зданий и сооружений.
Выполнение намеченных реконструкцией целей часто достигается использованием новых строительных конструктивных решений и способов строительства, обладающих большими техническими возможностями по сравнению с ранее использовавшимися. Одним из таких новых технических решений является конструкция плитного железобетонного монолитного фундамента повышенной несущей способности [2]. Преимущество в несущей способности данного фундамента становится очевидным при сравнении его с конструктивными решениями монолитных плитных и свайно-плитных фундаментов, широко применяемых в строительстве в настоящее время.
В практике строительства часто используются монолитные железобетонные фундаменты неглубокого заложения, выполненные в виде ребристых плит, лежащих либо непосредственно на поверхности спланированного грунтового основания, либо заглубленных в грунтовое основание на толщину плиты (рис. 1). Несущая способность таких плит в основном обеспечивается большой площадью их опирания на грунт. Это позволяет равномерно распределить значительную нагрузку от вышележащих частей здания на грунтовое основание без превышения критических значений по несущей способности грунта и использовать под строительство площадки с грунтовыми основаниями, сложенными из слабых грунтов. Основным недостатком фундаментов такого типа является необходимость изготовления фундаментных плит большой площади, что не всегда возможно в условиях плотной застройки или по другим причинам.
В некоторых ситуациях возникает необходимость передачи повышенных вертикальных строительных и эксплуатационных нагрузок на грунтовое основание при ограниченной площади плитного фундамента. В этих случаях повышение несущей способности фундаментной плиты достигается использованием в конструкции фундамента свай, требуемое количество и размеры которых определяются расчетным путем (рис. 2). При выполнении такого плитного фундамента с опиранием на сваи его общая несущая способность будет складываться из несущей способности фундаментной плиты и несущей способности свай, воспринимающих вертикальную нагрузку совместно с плитой. Общая несущая способность свай фундамента будет в основном зависеть от суммарной площади их оснований, опирающихся на грунт, и величины силы трения грунта, контактирующего с боковой поверхностью свай. Следовательно, повышение несущей способности такого фундамента при ограниченных размерах его плиты может быть достигнуто путем увеличения общего количества свай, а также увеличением размеров их поперечных сечений или длины стволов. Это утверждение справедливо для висячих свай, которые целиком размещаются в толще слабого грунта и не опираются своим нижним концом на прочные грунты. Однако на практике не всегда имеется возможность повышать несущую способность плитных фундаментов за счет увеличения количества и размеров размещаемых под ними свай.
Исследуя влияние на несущую способность висячей сваи силы сопротивления сжимаемого грунта под ее нижним концом и силы трения грунта по боковой поверхности сваи, отмечаем, что эффективность повышения несущей способности сваи за счет увеличения площади поперечного сечения ее ствола гораздо выше, чем от увеличения площади ее боковой поверхности. Это означает, что при одинаковом объеме стволов свай несущая способность короткой висячей сваи с малой площадью боковой поверхности, но с большой площадью поперечного сечения ствола, т.е. с большой площадью поверхности опирания на грунт, будет значительно выше, чем у длинномерной сваи с большой площадью боковой поверхности, но с малой площадью поперечного сечения ствола. Данная закономерность была использована при разработке нового конструктивного решения плитно-свайного фундамента повышенной несущей способности.
Предлагаемое новое конструктивное решение плитно-свайного фундамента включает монолитную железобетонную фундаментную плиту, изготовленную на предварительно уплотненном грунтовом основании, и буронабивные сваи с сердечниками из металлических толстостенных труб (рис. 3).
Сваи изготовлены на расстоянии 3-4 метров от края фундаментной плиты по ее периметру с промежутками между ними, определяемыми расчетным путем. Сердечники свай соединены с фундаментной плитой гибкими предварительно напряженными связями (металлическими тросами), которые в зависимости от уровня заложения фундаментной плиты могут располагаться как над поверхностью грунтового основания, так и ниже уровня грунта (рис. 4). Кроме того, каждый свайный сердечник снабжен двумя жестко прикрепленными к нему продольными металлическими пластинами, расположенными в плоскости, проходящей через продольную ось трубы и перпендикулярной направлению связи (рис. 5).
Несущая способность предлагаемого плитно-свайного фундамента складывается из несущей способности фундаментной плиты и несущей способности свай, опирающихся боковой поверхностью ствола на грунт при горизонтальном приложении нагрузки. Наличие металлических пластин, закрепленных на стволе свай в плоскости, перпендикулярной направлению горизонтального усилия от фундаментной плиты, позволяет в несколько раз увеличить площадь опирания сваи на грунт.
Работа предлагаемого плитно-свайного фундамента под нагрузкой осуществляется следующим образом. На первом этапе нагружения фундамента вся вертикальная нагрузка от вышележащих частей здания будет восприниматься непосредственно фундаментной плитой и перераспределяться на предварительно уплотненное грунтовое основание. На втором этапе нагружения, когда будет достигнут предел несущей способности грунта под фундаментной плитой, через гибкие предварительно напряженные связи (металлические тросы) в работу будут вовлечены сваи, соединенные связями с фундаментной плитой. Усилия, передаваемые от плиты на сваи через предварительно напряженные связи, будут горизонтальными и направленными от свай к плите. Под действием этих усилий сваи будут стремиться наклониться к плите, опираясь боковой поверхностью ствола по всей его длине на грунт. Поскольку площадь проекции боковой поверхности ствола сваи, обращенной к фундаментной плите, в несколько раз больше площади ее нижнего основания, то и несущая способность горизонтально нагружаемой сваи будет в несколько раз больше, чем несущая способность сваи, нагружаемой вертикальной нагрузкой. Устройство вертикальных металлических пластин большой площади на стволе сваи, позволяющих дополнительно в несколько раз увеличить площадь бокового опирания сваи на грунт, также обеспечит значительное повышение несущей способности свай и плитно-свайного фундамента в целом на втором этапе нагружения. Следовательно, при прочих равных условиях устройство предлагаемых фундаментов по показателям их несущей способности гораздо предпочтительнее, чем использование фундаментов из фундаментных плит, опирающихся на сваи.
Изготовление предлагаемого нового плитно-свайного фундамента высокого заложения производится в следующей технологической последовательности. Перед началом выполняемых на строительной площадке работ предварительно подготавливают для буронабивных свай сердечники из толстостенных металлических труб, прикрепляя к ним на сварке с противоположных сторон металлические пластины, имеющие форму прямоугольников или прямоугольных трапеций. В зависимости от плотности грунтов длина пластин может составлять 0,4-0,9 длины трубы, а их ширина равняться 2-4 диаметрам трубы. Длина самого сердечника должна несколько превышать глубину скважины буронабивной сваи. Затем на строительной площадке выполняют планировку и уплотнение грунтового основания, на котором будет возводиться фундаментная плита.
По периметру будущей фундаментной плиты на расстоянии нескольких метров от ее края в грунтовом основании бурят скважины под буронабивные сваи, диаметры которых на 8-10 см больше наружного диаметра трубных сердечников свай. Затем скважины заполняют доверху подвижной бетонной смесью и сразу же в них с помощью вибропогружателей погружают трубные металлические сердечники. Вертикальная ось сердечника при этом должна совмещаться с осью скважины, а направление его пластин должно быть перпендикулярным направлению гибких связей, соединяющих сваи с фундаментной плитой. В процессе погружения трубных сердечников их внутренние полости заполняются бетонной смесью, и одновременно образуется бетонный защитный слой толщиной 4-5 см вокруг наружной поверхности труб, предохраняющий их от коррозии. У готовой сваи часть трубного сердечника будет выступать из сваи над поверхностью грунтового основания на заданную высоту. После этого изготавливают монолитную железобетонную фундаментную плиту, на боковых поверхностях которой напротив свай выполняют металлические петли из высокопрочной арматуры, жестко соединенные с арматурным каркасом плиты. За эти петли фундаментную плиту гибкими металлическими тросами соединяют с выступающими над поверхностью грунта сердечниками свай, после чего производят натяжение тросов до заданных величин.
Повышение несущей способности фундаментов реконструируемых зданий и сооружений может быть осуществлено по аналогичной вышеописанной методике с устройством металлических петель на боковых поверхностях фундаментов, изготовлением по их наружному периметру буронабивных свай с металлическими сердечниками, закреплением на сваях и металлических петлях фундамента гибких связей с последующим их натяжением.
Выводы:
1. Реконструкция существующих зданий и сооружений приводит, как правило, к увеличению постоянных и временных нагрузок на фундаменты.
2. Использование предлагаемого плитного фундамента повышенной несущей способности обеспечит возможность реконструкции существующих и строительство новых зданий и сооружений с повышенным уровнем нагружения на фундаменты.
Библиографический список
1. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1988, – 287 с.
2. Заявка № 2015140203/03 от 21.09.2015 г. на выдачу патента РФ на изобретение.
