Корректировка геометрического положения здания выбуривание

УДК 624.131.54
Дыба В.П. (ЮРГТУ, г. Новочеркасск);
Зотов М.В. (ООО «СтройПЭН», г. Ростов-на-Дону);
Скибин М. Г. (ООО «СтройПЭН», г. Ростов-на-Дону);
Краснопольский И.И. (ООО «СтройПЭН», г. Ростов-на-Дону).
КОРРЕКТИРОВКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЗДАНИЯ
ВЫБУРИВАНИЕМ ГРУНТА ИЗ-ПОД ПОДОШВЫ ФУНДАМЕНТА.
В нашей стране огромный процент зданий и сооружений находится в
аварийном состоянии, не малую 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, что в большинстве
случаев отражается в виде кренов. Для таких объектов строительства
необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий. К таким
можно отнести работы по стабилизации деформаций грунтового основания и
восстановлению его проектного положения.
Технологии по стабилизации деформаций грунтового основания
способствуют лишь для предупреждения их дальнейшего развития и
ликвидации причин, а вот 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.
Не 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 также актуальна для промышленных сооружений,
особенно это касается зданий башенного типа (дымовые трубы, силосы,
напорные башни, резервуары). Особенностью таких объектов является
массивный фундамент, жестко связанный с наземной частью, при этом центр
тяжести у них смещен к подошве фундамента. Подъем и выравнивание
предполагает 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 этой связи, метод подъёма при
помощи гидравлических домкратов для таких сооружений является не
приемлемым. Более эффективным способом корректировки геометрического
положения в пространстве сооружений башенного типа является две другие
технологии, которые не предусматривают конструктивных изменений
здания.
Способ замачивания грунтового основания фундаментов сооружений
является наименее контролируемым и непредсказуемым, в связи с
изменением характеристик грунтов основания в обширной области под
фундаментом, что требует установления жесткого мониторинга в процессе
производства работ. Поэтому метод выбуривания грунта из-под подошвы
фундаментов
является
более
перспективным
направлением
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
выбуривания
отделения
при
Киевского
проектировании
НИИСК.
Расчет
выравнивания
параметров
сооружений
по
запорожской методике основан на использовании формул содержащих
экспериментальные
коэффициенты,
полученные
опытным
путем
для
различных грунтовых условий [3, 5].
Специалистами ООО «Интербиотех» совместно с кафедрой «ПГС
ГиФ» ЮРГТУ (НПИ) 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. возникновением
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. 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 [4].
Затем, в соответствии
положения
здания,
с фактическим положением
строят
эпюру
деформаций,
геометрического
необходимых
для
выравнивания.
При выбуривании из-под фундамента извлекается известный объем
грунта, так 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, диаметра D, в грунтовом нагруженном
массиве. Области пластического течение грунта, в которых оба семейства
характеристик криволинейны, определяются уравнением (1), выведенным в
работе [1].
 2 X 1  2 X A  1 X


 X.
 2 A ~12
A ~ 1
(1)
Пусть
X  a  e1 , тогда уравнение (1) удовлетворяется. Из
~
соответствующей системы в [1] следует У=0. После перехода к физическим
координатам получим пластическое распределение напряжений вокруг
полости.
А1

С  r 
 1 
1    ,
A

1

  a  

  3  C  A 1 ,

  .


где 𝐶 =
2∙𝑐∙cos(𝜑)
1−sin(𝜑)
;
А=
1+sin(𝜑)
1−sin(𝜑)
(2)
; с – удельное сцепление грунта; φ –
угол внутреннего трения.
В распределении (2) радиальные и тангенциальные площадки являются
главными, причем  r   1 ,     3 . Эпюры этих напряжений представлены
на рис.1.
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:
−𝑃 =
ℎ 𝐴−1
𝐶
[1 − (𝑅)
𝐴−1
].
Из последнего выражения найдем h.
1
ℎ = 𝑅 [1 +
𝑃(𝐴−1) 𝐴−1
] .
𝐶
Так как ho=h - R, то искомая величина ho зависит от величины нагрузки
Р, от прочностных характеристик грунта, от радиуса полости следующим
образом:
1
ℎ0 = 𝑅 [1 +
𝑃(𝐴−1) 𝐴−1
]
𝐶
− 𝑅.
(3)
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, определённое в зависимости от
прочностных характеристик грунта при заданном давлении по формуле (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).
Рис. 3 Регулярная часть грунтового массива
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:
Р1 =
2Н+𝐷
2Н
Р
(4)
Рис. 4 «Столб» грунта
Предельное напряженное состояние в «столбах» грунтов (рис.4)
определяется кругом Мора (рис. 5).
Рис. 5 Круг Мора
Из рис. 3 ясно, что

𝜑
4
2
Р1 = 2с 𝑐𝑜𝑡( − )
(5)
Из формул (4) и (5) вытекает, что разрушающее давление Р на массив
грунта, ослабленного рядом «прямоугольных» полостей вычисляется по
следующей формуле:
𝑃=

4𝑐𝐻

𝑐𝑜𝑡 ( − ).
2𝐻+𝐷
4
2
(6)
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 [1]. Однако в настоящей работе воспользуемся приближенными
значениями, найденными по аналитическим формулам справочника [2].
k( H)   1 
R
H
 ln 1  

H 
R

С учетом коэффициента усиления k разрушающее давление Р на
массив грунта, ослабленного рядом цилиндрических полостей, находится по
формуле:
𝑃=
4𝑘𝑐𝐻
2𝐻+𝐷


𝑐𝑜𝑡 ( − )
4
2
(7)
Из данного выражения находим искомую величину Н:
𝐷
𝐻 = 4∙𝑘∙𝐶∙𝑐𝑜𝑡(𝜋−𝜑)
4 2
𝑃
(8)
−2
Таким образом, расстояние между скважинами можно оценить по
формуле (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 году специалистами
научно-производственной фирмы ООО «СтройПЭН» был разработан проект
устранения
сверхнормативного
крена
кирпичной
дымовой
трубы
расположенной на территории ЗАО кабельный завод «Кавказкабель», г.
Прохладный.
Метод выравнивания зданий и сооружений выбуриванием грунта изпод 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, ведется разработка программного продукта, позволяющего
рассчитывать параметры перфорированного основания, используя верхние
оценки несущей способности, полученные методами предельного анализа
пластических систем. Для подтверждения теоретических основ планируется
проведение экспериментальных исследований.
Литература
1. Дыба В.П. Оценки несущей способности фундаментов: монография/
Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.- Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2008.-200 с.
2. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том
1. Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко/ М: «Машиностроение»- 1968. С.78.
3.Пулатов А.П. Работа оснований при выравнивании сооружений
способом бурения горизонтальных и наклонных скважин: диссертация на
соискание учёной степени . Киев 1986г.
4. СП 22.13330.2011 Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*
Основания зданий и сооружений.
5. Патент 65455 Украина. Способ выравнивания зданий, сооружений /
Степура И.В., Шокарев В.С., Павлов А.В., Трегуб А.С., Самченко Р.В. №2003109485; заявл. 21.10.03; опубл. 15.03.04, Бюл. №3.