PERFECTION OF THE FORM AND TECHNOLOGY OF THE REINFORCED CONCRETE PILES DESIGN FOR LOW-RISE CONSTRUCTION

Full Text

Развитие малоэтажного строительства в нашей стране в последние годы резко набирает обороты. Осуществляется районная застройка многоквартирными трех-пятиэтажными домами, застраиваются коттеджные поселки, большой интерес у городских жителей вызывает частное домостроение [1]. В связи с этим становится актуальной задача по повышению производительности работ в данном направлении. Одним из способов повышения продуктивности в малоэтажном строительстве, по мнению авторов, было бы внедрение новых эффективных конструкций фундаментов. Так, если затраты на устройство нулевого цикла для многоэтажного гражданского здания в зависимости от сложности геологических условий может составлять 5-20 %, то для малоэтажного строительства эта цифра достигает 15-30 % [2]. В своем стремлении сэкономить на данном этапе застройщики все чаще обращаются к свайным фундаментам. Применяются различные типы свай как по своей конструкции, так и по способу устройства. В настоящее время в практике жилищного строительства широкое применение нашли короткие, длиной 3-4 м, винтовые сваи, буронабивные сваи, забивные сваи - призматические и реже пирамидальные. В данной работе авторами предложены варианты совершенствования конструкций свай, а также сравнительная оценка несущей способности коротких свай различного типа в трех разновидностях грунтов. У каждого из приведенного вида свай можно отметить определенные преимущества и недостатки. Так, например, фундамент из винтовых свай за счет своей дешевизны и простоты изготовления широко применяется в частном строительстве легких домов из дерева (бревна, бруса, sip-панелей, каркасных домов и т. д.). В связи с тем, что дома такого типа зачастую обладают невысокой пространственной жесткостью, имеет место передача на фундамент горизонтальных нагрузок. Из-за неразвитой боковой поверхности винтовых свай, находящихся к тому же в разрыхленном лопастями грунте, у фундамента появляются горизонтальные подвижки. Даже при наличии хорошей обвязки свай в домах, построенных на фундаментах такого типа, Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 10 жить некомфортно, ввиду появления подвижности конструктива здания. Также стоит отметить их низкую несущую способность и подверженность коррозии [3]. У буронабивных свай можно отметить невысокую несущую способность и наличие остатков рыхлого грунта в забое скважины, многодельность, мокрый процесс, сложность проведения контроля качества ствола сваи, сезонное удорожание при прогреве бетона. При применении забивных призматических свай к недостаткам следует отнести разрыхление грунта в начале погружения на глубину одного-двух диаметров по периметру сваи, образование зазора между сваей и грунтом в верхней трети при погружении. Недостаток пирамидальных свай заключается в том, что за счет наклона граней сваи подвержены выталкивающим силам морозного пучения, набухания грунтов [4]. Кроме того, имеются трудности крепления пирамидальной сваи к забивной установке. Авторами предлагается ряд способов по совершенствованию формы и технологии устройства коротких свай. Одним из наиболее эффективных типов конструкции свайного фундамента для индивидуального жилого дома является буротрамбованная свая с уширением. На рис. 1 представлена последовательность устройства буротрамбованной Рис. 1. Технологическая схема устройства буротрамбованной сваи с уширением: 1 - бурение скважины; 2 - установка обсадной трубы; 3 - пробивка скважины на глубину трех диаметров сваи; 4, 5 - устройство уширения путем утрамбовки крупнообломочного грунта или жесткой бетонной смеси; 6 - устройство тела сваи сваи. Преимущество предложенной технологии заключается в следующем: • в результате пробивки скважин образуются зоны уплотненного грунта с повышенными значениями прочностных и деформационных характеристик; • в процессе втрамбовывания в забой пробитой скважины щебня или жесткой бетонной смеси образуется уширение диаметром, превышающим диаметр сваи в 1,5-2 раза; • передача нагрузки от свай на грунт основания как по их подошве, так и по боковой поверхности происходит вначале на более прочный, а затем менее прочный грунтовый материал при одновременном последовательном увеличении площади взаимодействия более прочного материала с менее прочным [5]; • применение обсадной трубы исключает необходимость в агрегате с направляющей для трамбующего снаряда штанги. При этом соотношение диаметров скважины, обсадной трубы и трамбовки можно принять как 450:425:375 мм. Высота трамбовки подбирается по заданному весу. Применение пробивки скважины на глубину более трех диаметров приближает несущую способность набивной сваи к забивной. Следующим эффективным типом конструкции свайного фундамента в малоэтажном строительстве, СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ 11 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 Рис. 2. Технологическая схема устройства пирамидально-призматической сваи: 1 - бурение скважины на глубину, соответствующую длине призматической части сваи; 2 - установка сваи в скважину; 3 - забивка сваи на взгляд авторов, является применение забивной пирамидально-призматической сваи. Конструкция сваи представляет собой комбинирование призматической сваи в нижней части и пирамидальной - в верхней. Предложенный вариант конструкции позволяет: • повысить несущую способность сваи за счет наклонных граней и более развитой боковой поверхности. Увеличение несущей способности сваи с уширением в верхней части происходит в результате как уплотнения грунта при ее забивке, так и из-за специфики взаимодействия сваи и грунта под нагрузкой, такие конструкции свай при погружении уплотняют грунт в пределах зоны уплотнения, что особенно эффективно в макропористых грунтах. Таким образом, от характеристик зоны уплотнения в значительной степени зависит несущая способность свай с уширением наверху. Несущая способность таких конструкций возрастает не только за счет увеличения площади у оголовка, но и за счет изменения условий работы грунта по боковой поверхности сваи и силы трения, которая реализуется в большей мере [6]. По данным, полученным экспериментальным и расчетным способами [7, 8], подобного рода уширение дает прирост несущей способности в 1,5-2 раза, в зависимости от размера оголовка; • устранить возможность выпора сваи силами морозного пучения за счет защемления призматической части в талом грунте, что позволяет применять эту конструкцию выше глубины сезонного промерзания грунтов; • облегчить процесс погружения сваи за счет того, что свая устанавливается в заранее пробуренную скважину и уже из этого положения забивается. Предложенная технология позволит решить проблему с фиксацией пирамидальной части сваи в вертикальном положении [9]. На рис. 2 представлена последовательность возведения пирамидально-призматической сваи. Ниже представлена сравнительная оценка различных конструкций свай в трех грунтовых условиях - суглинок полутвердой, тугопластичной и мягкопластичной консистенций. Произведен расчет несущей способности свай по грунту, найдено количество затрачиваемого материала. Для определения эффективности применяемого типа фундамента было осуществлено сравнение такого параметра, как удельная несущая способность сваи, рассчитанного по формуле Fуд = Fd/V, где Fуд - удельная несущая способность, кН/ м3; Fd - несущая способность сваи, кН; V - объем сваи, м3. В.И. Исаев, А.В. Мальцев, А.А. Карпов Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 12 Расчет несущей способности свай выполнен по известным формулам в соответствии рекомендациями СП 24.13330.2011. «Определение» несущей способности буротрамбованной части осуществлялось по формуле Fd = FdR[1] Fdf1[1] Fdf2', где FdR - несущая способность основания под нижним концом сваи, кН; Fdf1 - несущая способность грунта вдоль боковой поверхности сваи на пробуренном участке, кН; Fdf2 - несущая способность грунта вдоль боковой поверхности сваи на пробитом участке, кН. Для расчета несущей способности пирамидально-призматической сваи предложена следующая формула: Fd = FdR[1] Fdf1[1] Fdf2', где FdR - несущая способность основания под нижним концом сваи, кН; Fdf1 - несущая способность грунта вдоль боковой поверхности сваи на призматическом участке, кН; Fdf2 - несущая способность грунта вдоль боковой поверхности сваи на пирамидальном участке с уклоном боковых граней ip>0,025 д.ед., кН. В табл. 1 представлены результаты определения несущей способности различных типов коротких свай, в том числе предложенных авторами. Таблица составлена для трех типов грунтовых условий. Таблица 1 Сравнительные характеристики свай различных конструкций Буронабивная Винтовая Призматическая Пирамидальная Буротрамбованная Буротрамбованная с уширением Пирамидальнопризматическая 1 2 3 4 5 6 7 Суглинок полутвердый, IL=0,2 д.ед., с=16,7 кПа, φ=20 град., Е=17 МПа d=300 мм Fd=99 кН V=0,213 м3 Fуд=465 кН/м3 d1=168 мм d2=300 мм Fd=74 кН b=200 мм Fd=214 кН V=0,12 м3 Fуд=1783 кН/м3 b1/b2=400/100 мм Fd=1234 кН V= 0,21 м3 Fуд=5876 кН/м3 d 1/d 2= =400/350 мм Fd=406 кН V=0,33 м3 Fуд=1230 кН/м3 d1/d2/d3= =400/350/700 мм Fd=1258 кН V= 0,51 м3 Fуд=2467 кН/м3 b1/b2= =400/200 мм Fd=792 кН V=0,23 м3 Fуд=3443 кН/м3 d=400 мм Fd=148 V=0,378 м3 Fуд=392 кН/м3 d1=168 мм d2=400 мм Fd=96 кН b=300 мм Fd=411 кН V=0,27 м3 Fуд=1522 кН/м3 b1/b2=500/100мм Fd=1483 кН V=0,31 м3 Fуд=4784 кН/м3 d 1/d 2= =500/450 мм Fd=626 кН V= 0,533 м3 Fуд= 1174 кН/м3 d1/d2/d3= =500/450/900 мм Fd=2069 кН V=0,92 м3 Fуд=2248 кН/м3 b1/b2= =500/200 мм Fd=965 кН V=0,26 м3 Fуд=3784 кН/м3 d=500 мм Fd=205 V=0,588 м3 Fуд=349 кН/м3 d1=168 мм d2=500 мм Fd=124 кН b=400 мм Fd=668 кН V=0,48м3 Fуд=1392 кН/м3 b1/b2=600/100 мм Fd=1748 кН V=0,43 м3 Fуд=4065 кН/м3 d 1/ d 2= =600/550 мм Fd=908 кН V= 0,780 м3 Fуд= 1505 кН/м3 d1/d2/d3= =600/550/1100 мм Fd=3047 кН V=1,48 м3 Fуд=2058 кН/м3 b1/b2= =600/200 мм Fd=1121 кН V=0,32 м3 Fуд=3503 кН/м3 Суглинок тугопластичный, IL=0,4 д.ед., с=15,3 кПа, φ=18 град., Е=14 Мпа d=300 мм Fd= 52 кН V=0,213 м3 Fуд=244 кН/м3 d1=168 мм d2=300 мм Fd=44 кН b=200 мм Fd=92 кН V=0,12 м3 Fуд=767 кН/м3 b1/b2=400/100 мм Fd=880 кН V=0,21 м3 Fуд=4190 кН/м3 d 1/d 2= =400/350 мм Fd=169 кН V=0,33 м3 Fуд=512 кН/м3 d1/d2/d3= =400/350 мм Fd=510 кН V=0,51 м3 Fуд=1000 кН/м3 b1/b2= =400/200 мм Fd=520 кН V= 0,23 м3 Fуд= 2261 кН/м3 d=400 мм Fd=79 кН V=0, 378 м3 Fуд=209 кН/м3 d1=168 мм d2=400 мм Fd=62 кН b=300 мм Fd=175 кН V=0,27 м3 Fуд=648 кН/м3 b1/b2=500/100 мм Fd=1061 кН V=0,31 м3 Fуд=3423 кН/м3 d 1/d 2= =500/450 мм Fd=259 кН V=0,533 м3 Fуд=486 кН/м3 d1/d2/d3= =500/450 мм Fd=836 кН V=0,92 м3 Fуд= 909 кН/м3 b1/b2= =500/200 мм Fd=647 кН V= 0,26 м3 Fуд= 2488 кН/м3 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ 13 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 Окончание табл. 1 Рис. 3. Графики зависимости несущей способности свай от расхода бетона 1 2 3 4 5 6 7 d=500 мм Fd=112 кН V=0,588 м3 Fуд=191 кН/м3 d1=168 мм d2=500 мм Fd=88 кН b=400 мм Fd=281 кН V=0,48 м3 Fуд=585 кН/м3 b1/b2=600/100 мм Fd=1255 кН V=0,43 м3 Fуд=2919 кН/м3 d 1/d 2= =600/550 мм Fd=366 кН V=0,780 м3 Fуд=469 кН/м3 d1/d2/d3= =600/550 мм Fd=1222 кН V=1,48 м3 Fуд=826 кН/м3 b1/b2= =600/200 мм Fd=760 кН V= 0,32 м3 Fуд=2376 кН/м3 Суглинок мягкопластичный, IL=0,6 д.ед., с=13,3 кПа, φ=16 град., Е=12 МПа d=300 мм Fd= 38 кН V=0,213 м3 Fуд=178 кН/м3 d1=168 мм d2=300 мм Fd=30 кН b=200 мм Fd=49 кН V=0,12 м3 Fуд=408 кН/м3 b1/b2=400/100 мм Fd=619 кН V=0,21 м3 Fуд=2948 кН/м3 d 1/d 2= =400/350 мм Fd=89 кН V=0,33 м3 Fуд=270 кН/м3 d1/d2/d3= =400/350 мм Fd=260 кН V= 0,51 м3 Fуд= 510 кН/м3 b1/b2= =400/200 мм Fd=349 кН V=0,23 м3 Fуд=1517 кН/м3 d=400 мм Fd=58 кН V=0,378 м3 Fуд=153 кН/м3 d1=168 мм d2=400 мм Fd=46 кН b=300 мм Fd=90 кН V=0,27 м3 Fуд=333 кН/м3 b1/b2=500/100 мм Fd=748 кН V=0,31 м3 Fуд=2413 кН/м3 d 1/d 2= =500/450 мм Fd=135 кН V=0,533 м3 Fуд=253 кН/м3 d1/d2/d3= =500/450 мм Fd=423 кН V=0,92 м3 Fуд=460 кН/м3 b1/b2= =500/200 мм Fd=440 кН V=0,26 м3 Fуд=1692 кН/м3 d=500 мм Fd=83 кН V=0,588 м3 Fуд=141 кН/м3 d1=168 мм d2=500 мм Fd=64 кН b=400 мм Fd=145 кН V=0,48 м3 Fуд=302 кН/м3 b1/b2=600/100 мм Fd=887 кН V=0,43 м3 Fуд=2063 кН/м3 d 1/d 2= =600/550 мм Fd=190 кН V=0,780 м3 Fуд=243 кН/м3 d1/d2/d3= =600/550 мм Fd=619 кН V=1,48 м3 Fуд=418 кН/м3 b1/b2= =600/200 мм Fd=522 кН V=0,32 м3 Fуд=1631 кН/м3 Для визуализации сравнительной оценки рассмотренных конструкций фундаментов были построены зависимости несущей способности свай от расхода бетона. Как видно из графиков (рис. 3), наиболее эффективной по соотношению «расход бетона - несущая способность» является пирамидальная свая, за ней следуют пирамидально-призматическая и буротрамбованная с уширением для всех типов грунтов. Исходя из результатов сравнения, а также учитывая тот факт, что применение пирамидальных свай ограничивается глубиной сезонного промерзания, можно сделать вывод о высокой конкуренто- способности предлагаемых конструкций свайных фундаментов. Предлагаемые типы фундаментов значительно снизят как трудовые, так и материальные затраты в индивидуальном домостроительстве за счет относительной простоты устройства, меньшего расхода материалов и, в то же время, повышенной несущей способности по сравнению с прочими типами свайных фундаментов.

About the authors

Veniamin I. ISAEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey V. MALTSEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey A. KARPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files