Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Строительство

Совершенствование конструкции фундаментов  Просмотрен 17


Конструкция фундаментов — основного элемента подземной части зданий — долгое время не претерпевала серьезных изменений. Еще до сих пор применяются тяжелые, массивные сборные фундаменты, которые по существу происходят от монолитных лент, как бы механически разрезанных на отдельные элементы. Можно сказать, что в этих конструкциях фундаментов, в отличие от других элементов здания, не использованы возможности получения более рациональных конструктивных форм, которые открывает сборный железобетон по сравнению с монолитным.

Практика проектирования и проведенные в последние годы исследования показывают, что наиболее перспективными в совершенствовании конструкций фундаментов могут быть два направления: более полное использование действительной несущей способности грунтов оснований и поиски новых конструктивных форм самих фундаментов.


Рис. 2.1. Прерывистые фундаменты и график зависимости осадки >

Одной из попыток, предпринятой в направлении более эффективного использования несущей способности грунтов, является применение прерывистых фундаментов (рис. 2.1). В основу создания такой конструкции были положены исследования НИИ оснований и подземных сооружений (1958—1960 гг.), которые позволили сделать вывод, что грунты, при фундаментах такой конструкции работают лучше, чем под сплошными ленточными фундаментами. Кроме того, создается возможность несколько увеличить расчетное сопротивление грунтов (примерно на 10%) и тем самым более эффективно использовать их несущую способность. Конструкция прерывистых фундаментов широко применяется сейчас в массовом строительстве, став одной из основных при проектировании фундаментов из сборных железобетонных блоков. Однако практика использования прерывистых фундаментов показала, что эта конструкция не дает значительного повышения экономичности фундаментов, а снижение расхода бетона не превышает 10%.

Значительно более широкие возможности в совершенствовании конструкций фундаментов открывает переход на новую методику проектирования —• методику расчета оснований по деформациям с учетом фактических модулей сжимаемости грунтов. Полное использование несущей способности грунтов возможно в том случае, если расчет их производить по предельным деформациям (по осадкам). Задача заключается в том, чтобы обеспечить равномерную осадку всего сооружения. При изучении действительных качеств грунтов особенно важно знать их фактический модуль сжимаемости. Обычно же при исследованиях грунтов определяется только расчетное сопротивление, т. е. величина давления, которая может быть воспринята грунтами. По этой допускаемой величине давления и подбирается ширина подошвы фундаментов. Однако этот традиционный подход к проектированию фундаментов не отражает действительной несущей способности грунтов и поэтому остаются неиспользованными значительные запасы прочности, имеющиеся в грунтах.

В 1959 г. Моспроектом и НИИ оснований и подземных сооружений была выдвинута идея проектирования фундаментов с учетом фактических модулей сжимаемости грунтов. Опытное проектирование выявило возможность при таком подходе резко уменьшить ширину подошвы фундаментов и получить новую систему «узких» фундаментов или, применительно к пятиэтажным зданиям с продольными несущими стенами и в ряде случаев к девятиэтажным зданиям, перейти по существу к бесфундаментным конструкциям. В процессе проектирования оказалось, что если рассчитывать ленточные фундаменты по деформациям, можно значительно повысить величину расчетного сопротивления основания и уменьшить ширину ленты в 2—3 раза против обычных типовых фундаментов.

Экспериментальное строительство домов с узкими фундаментными лентами, ширина которых определена расчетом основания по деформации с учетом модулей сжимаемости грунтов основания (табл. 2.1), позволило сопоставить фактические осадки здания с расчетными, а также определить деформации оснований.


Экспериментальные крупноблочные пятиэтажные дома со шлакобетонными наружными стенами, продольной несущей внутренней стеной из бетонных блоков и перекрытиями из многопустотных настилов были построены в квартале №58 Фили — Мазилово (корпус № 18) и в; квартале № 74 Хорошево — Мневники (корпус № 10).

Рис. 2.2.

Графики осадок экспериментальных пятиэтажных домов с узкими фундаментами >

В процессе строительства и до последнего времени проводились систематические инструментальные наблюдения за осадками этих зданий. По данным этих наблюдений для каждого экспериментального дома величины осадок во времени представлены на графике (рис. 2.2).

Как видно из представленных графиков, осадки здания на узких фундаментах (а по существу вообще без фундаментов) практически мало отличаются от осадок здания, построенного в тех же грунтовых условиях с обычными фундаментами. Так, абсолютная величина осадок экспериментального корпуса № 18 в районе Фили — Мазилово равна всего-17 мм и лишь на 10% больше, чем в корпусе № 17, имеющем ширину фундаментов, в два раза большую.

Следует напомнить, что давление под подошвой фундамента в корпусе № 18 достигает 4,5 кГ/см2, т. е. в 2 раза превышает заданное расчетное сопротивление, а в районе Хорошево — Мневники давление под подошвой узких фундаментов составляет почти 5 кГ/см2, т. е. также значительно больше, чем заданное расчетное сопротивление.

Неравномерность величин осадок, замеренных по длине корпусов, не превышает 2—3 мм, т. е. значительно меньше регламентированных нормами. Наблюдения за состоянием конструкций здания не выявили каких-либо деформаций надземной части, что также подтверждает равномерность общей осадки здания.

Таким образом, проведенные эксперименты убедительно показали, с одной стороны, отсутствие пропорциональности между уменьшением ширины фундаментных лент и ростом осадок зданий и, с другой стороны, что особенно важно, полную .возможность уменьшения ширины фундаментных лент при расчете оснований по деформациям. Оценка результатов экспериментального строительства показывает, что применение узких фундаментов позволяет сэкономить 35—40% бетона.

На основе успешного опытного строительства пятиэтажных зданий в настоящее время проводится широкое экспериментальное строительство многоэтажных домов (9 этажей) с узкими фундаментами, размеры которых определены с учетом фактических модулей упругости грунтов.

Отработка нового метода проектирования фундаментов на базе проведения тщательных исследований грунтов позволит почти в 2—3 раза снизить расход материалов на конструкции фундаментов. Для реализации этого метода изыскательским организациям придется определять фактические модули сжимаемости грунтов.

Естественно, нельзя применять узкие фундаменты независимо от конструктивных схем зданий и характера грунтов. Основываясь на опыте экспериментального строительства и на проведенных исследованиях, можно рекомендовать этот вид фундаментов для зданий, обладающих высокой пространственной жесткостью, при строительстве в условиях более или менее однородных грунтов с достаточной несущей способностью.

Второе направление совершенствования фундаментов состоит в поисках рациональных конструкций самих фундаментов.

 

 

Рис. 2.3. Фундаменты девятиэтажного панельного дома с поперечными несущими стенами >

Основным видом фундаментов для полносборных зданий высотой 9 и 12 этажей являются ленточные сборные фундаменты.

Переход в массовом строительстве на систему с поперечными несущими стенами, расположенными с относительно малым шагом 3—3,3 м, характеризуется значительным уменьшением нагрузок и соответственно облегчением фундаментов. Так, в типовых крупнопанельных домах серий II-57, II-49, 1605 высотой 9 и 12 этажей применяются сборные фундаментные блоки шириной 120 и 160 см, высотой 30 см и длиной до 300 см (рис. 2.3).


Рис. 2.4. Крупноразмерные элементы фундаментов >

Тенденцию к укрупнению сборных фундаментов можно видеть на примере использования крупноразмерных фундаментов для панельных зданий с продольными несущими стенами (рис. 2.4). Для необходимого контакта подошвы фундамента с грунтом основания используется песчаная подсыпка толщиной 8—10 см, которая обминается по мере роста нагрузок на фундамент, что исключает вероятность резкой концентрации напряжений в поперечном или продольном сечении фундамента. Песчаная подготовка перед укладкой фундаментных блоков уплотняется площадочными вибраторами.

Укрупнение элементов ленточных фундаментов позволяет в 2—3 раза снизить их построечную трудоемкость по сравнению с обычными фундаментными блоками. Расход материалов (стали и бетона) для этих фундаментов практически одинаков.

Важное значение для экономичности сборных фундаментов имеет правильное определение их сортамента, что должно в наибольшей мере приблизить рабочий размер (ширину) блоков к требуемому по расчету. К сожалению, до сих пор этой задаче не уделяется должного внимания. Между тем от рационального проектирования сортамента экономика строительства зависит не в меньшей степени, чем от конструктивного решения.

Сортамент фундаментных блоков построен по принципу подчинения ширины ленты фундамента единому планировочному модулю здания. Градация размеров при этом принимается равной модулю (400 мм) или полумодулю. Такой прием построения сортамента является формальным, так как рабочий размер фундамента обычно не зависит от модульной сетки здания, а жестко установленная градация создает затруднения при подборе фундаментов. Так, например, при переходе от блока Ф-16 к блоку Ф-20 площадь подошвы увеличивается на 25%, а при переходе от Ф-28 к Ф-32 — на 14,3%.

Произвольное назначение градации и числа типоразмеров сортамента, как правило, ведет к значительному перерасходу материалов/

Вместе с тем с помощью математической статистики можно вывести закон распределения расчетных сопротивлений грунтов на основании статистического изучения строительных площадок районов массового строительства.

Закон распределения нагрузок на фундаменты для основных массовых серий типовых проектов также может быть получен статистическим путем. В отличие от предыдущего закона он не имеет четкой математической формы и является функцией величин нагрузок в применяемых проектах. Однако и здесь может быть выведена достаточно четкая зависимость.

На основе этих законов должно производиться проектирование сортамента фундаментных блоков с учетом наименьшего интегрального расхода материалов, трудовых затрат и стоимости.

Серьезной задачей является выбор рациональной конструктивной формы блоков. Попытки перейти на предварительно напряженные, например струнобетонные, сборные фундаментные плиты или на более сложные конструктивные формы, например в виде ребристых плит, не дали положительных результатов.

При применении струнобетонных фундаментов по сравнению с обычными типами фундаментов достигается значительная экономия: стали — почти в 2 раза и бетона — на 30%. В частности, напряженное армирование, погашая главные растягивающие напряжения, позволяет существенно снизить высоту фундаментных блоков и назначить ее из условия прочности на изгиб.

Однако предварительно напряженные фундаментные блоки не получили пока практического осуществления, так как технология их изготовления более сложна и еще не освоена. Увеличение толщины защитных слоев бетона приводит к дополнительному расходу бетона по сравнению с плоскими фундаментными блоками.

Расчеты показывают, что область применения сборных фундаментов, определяемая предельными размерами и несущей способностью блоков, их весом, ограничивается даже при грунтах с высокой несущей способностью зданиями высотой не более 12 этажей. Для зданий большей этажности применяют монолитные ленточные, перекрестные или плитные фундаменты. Однако устройство фундаментов этих типов вследствие высокой трудоемкости противоречит основному принципу массового полносборного домостроения — его индустриальности.

Дальнейшим шагом в совершенствовании конструкций фундаментов стало применение короткосвайных фундаментов.

Для реализации этого решения необходимо было создать такую рациональную конструкцию свайных фундаментов, которая по технико-экономическим показателям была бы лучше ленточных фундаментов даже с минимальной глубиной заложения.

Многочисленные испытания забивных свай различных длин показали, что при заглублении свай в плотные грунты сопротивление грунта под нижними концами свай достигает 80—85% общего сопротивления сваи и примерно в 8 раз больше, чем под глубокими фундаментами равной площади в таких же грунтах.

Следует подчеркнуть, что речь идет, не о повторении традиционных решений свайных фундаментов, а о совершенно новом подходе к проектированию свайных фундаментов в крупнопанельном домостроении.

Применение короткосвайных фундаментов для панельных зданий позволяет наиболее кардинально решить одну из важнейших проблем полносборного строительства — увеличить жесткость опорной конструкции здания и тем самым значительно снизить вероятность неравномерных осадок, к которым очень чувствительны конструкции крупнопанельных домов. Наряду с конструктивными преимуществами выполнение нулевого цикла с применением коротких сваи даст и экономические выгоды.

Важное достоинство короткосвайных фундаментов, которое подтверждено практикой строительства, высокая их индустриальность по сравнению с ленточными, особенно при выполнении работ в зимних условиях. Подсчеты показывают, что трудоемкость короткосвайных фундаментов оказывается на 10—30% ниже (см. табл. 2.2), при этом (что очень важно) исключается вероятность промерзания основания здания, последствия которого при пучинистых (глинистых и суглинистых) грунтах опасны для конструкций панельного дома, так как возникающие осадки приводят к деформациям надземных конструкций здания.


В связи с этим в массовом строительстве в последние годы широко применяются короткосвайные фундаменты для полносборных домов всех серий.

В результате проработки различных вариантов конструкций свайных фундаментов удалось получить такое решение, при котором по сравнению с традиционным резко снижается (более чем вдвое) объем земляных работ.

 

Рис. 2.5. Конструкция свайного фундамента со сборным ростверком >

Особенность новой конструкции — в отсутствии поперечных несущих конструкций в пределах подполья и в расположении ростверков непосредственно под полом первого этажа (рис. 2.5), что позволило резко уменьшить расход бетона.

Новым является также однорядное размещение свай, расположенных под поперечными несущими стенами с шагом 2—2,5 м. Вместо традиционного монолитного применен сборный железобетонный ростверк (рис. 2.5).

Сложнейшая конструктивная задача — создание надежного опирания сборного ростверка на сваи (получающие при забивке неизбежные отклонения от проектного положения как по вертикали, так и по горизонтали) — решена применением сборного оголовка, в котором замоноличивается голова сваи (рис. 2.5). Таким образом, после замоноличивания оголовки создают необходимую «платформу» для опирания сборного ростверка.

Сборные ростверки могут применяться при однорядном или двухрядном шахматном расположении свай.

Работа ростверка в системе панельного дома имеет ряд особенностей. Вследствие чрезвычайно высокой жесткости несущих стен панельного дома по сравнению с жесткостью растверка значение и роль последнего как элемента, распределяющего усилия на сваи и исключающего вероятность их неравномерной осадки, выполняет жесткий вертикальный диск несущих стен. Таким образом, ростверк, строго говоря, перестает выполнять несущие функции и является конструктивным элементом, с помощью которого усилия от панелей стен «перетекают» на сваи. Поэтому сечение ростверка и его армирование определяются по конструктивным соображениям. Так, высоту ростверка для девятиэтажных панельных домов принимают не более 35 см, ширина ростверка может приниматься равной: при однорядном расположении свай (сечением 30x30 см) — 50 см, при двухрядном — расстоянию между продольными осями свай плюс толщина сваи.

Устройство продольных ростверков в плоскостях наружных и внутренних продольных стен не требуется.

Рис. 2.6. Конструкция сваи с забивным трубчатым ростверком >

Цокольные панели наружных стен крепятся к торцам поперечного ростверка и сами выполняют роль продольного ростверка.

Экспериментальную проверку в строительстве проходят сваи с забивным трубчатым оголовком, представляющим собой железобетонную трубу длиной 1,5 м (рис. 2.6), которая забивается вслед за предварительно забитой сваей. Трубчатый оголовок соединяется с телом сваи при помощи монолитного оголовка. Устройство трубчатого оголовка позволяет применить сборный ростверк, так как даже при смещении свай от проектного положения надежно обеспечивается опирание сборного ростверка.

Одним из возможных путей дальнейшего распространения сборных железобетонных ростверков является применение так называемых плоских свай. Такие сваи имеют сечение 50x20 см и также обеспечивают с учетом неточностей при забивке возможность опирания сборных ростверков.

Рис. 2.7. Конструкция свайного фундамента без ростверка >

Успешно применена в экспериментальном строительстве конструкция свайных фундаментов без ростверка. В этом случае панели первого этажа опираются непосредственно на сваи через сборно-монолитные оголовки (рис. 2.7). Относительно малый шаг свай исключает работу поперечных панелей на изгиб, а также не вызывает опасной концентрации напряжений в местах опирания панелей на оголовки свай. Роль ростверка выполняют панели поперечных стен. Работая по схеме многопролетных балок — стенок, эти панели воспринимают реактивные местные сжимающие нагрузки от свай, передаваемые через свайные оголовки и панели перекрытия технического подполья.

Проведенные в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко в 1968 г.

исследования работы такой конструкции показали, что стандартные панели первого этажа в девятиэтажном доме при опирании их на оголовки свай без ростверков, а также панели перекрытия над техническим подпольем не требуют каких-либо усилений.

Экономическая целесообразность применения свайных фундаментов для девятиэтажных панельных домов с несущими поперечными стенами подтверждена и технико-экономическими исследованиями (см. график на рис. 2.8 и табл. 2.2).

Рис. 2.8. График сопоставления стоимости свайных и ленточных фундаментов >

На приведенном графике по вертикали отложена стоимость общестроительных работ подземной части в тысячах рублей (без стоимости перекрытия), а по горизонтали — глубина забивки свай в метрах. Наклонные линии характеризуют стоимость подземной части при свайных фундаментах для различной глубины забивки свай; горизонтальными линиями показана стоимость подземной части при ленточных фундаментах в зависимости от глубины заложения фундамента.

Анализ показывает, что если в верхнем слое грунты слабые или насыпные, требующие заложения ленточных фундаментов на глубину, большую, чем предусмотрено типовым проектом, фундаменты из коротких свай оказываются экономичнее ленточных. Если необходимая глубина забивки свай незначительна, свайные фундаменты дешевле ленточных, заложенных на глубину, предусмотренную типовым проектом.

По мере увеличения толщины слабых грунтов стоимость свайных фундаментов повышается в меньшей степени, чем стоимость ленточных, поэтому целесообразность замены ленточных фундаментов свайными возрастает с ухудшением грунтовых условий.

Как показывают данные табл. 2.2, наиболее рациональной из рассмотренных типов свайных фундаментов применительно к девятиэтажным домам является конструкция без ростверков (рис. 2.7).

Для зданий с большими нагрузками на фундаменты, например с широким шагом несущих стен, а также для зданий большой этажности приходится использовать многорядное расположение свай, что, естественно, не дает возможности применить сборные ростверки, так как крайне сложно добиться надежного сопряжения между верхом оголовков свай, расположенных в несколько рядов, и низом сборного ростверка. В этих случаях применяются монолитные железобетонные ростверки. Новым в этом традиционном решении является отказ от срубки верхних концов свай для заделки выпусков арматуры свай в ростверк. Этот процесс отличается большой трудоемкостью, требует много времени и средств и в то же время, как нам представляется, не вызывается конструктивной необходимостью.

В целях снижения трудоемкости и повышения экономической эффективности свайных фундаментов, работающих на вертикальные нагрузки, сопряжение свай с ростверками предложено осуществлять без выпусков арматуры свай. При этом сваи должны заделываться в монолитный ростверк на 10 см, а в случае применения сборных ростверков с оголовками величину заделки голов свай в оголовок следует принимать не менее 20 см.

Практической реализации этого предложения способствовала освоенная московскими строителями срезка бетона свай под определенную проектную отметку. Учитывая, что в жилом многоэтажном панельном доме горизонтальные усилия, действующие на сваи, ничтожно малы по сравнению с вертикальными нагрузками, принятая заделка свай в ростверк вполне достаточна. Такая заделка позволяет воспринять изгибающий момент около 2 Т·м, т. е. почти равный несущей способности на изгиб сваи. Это решение значительно упрощает выполнение свайных фундаментов.


Рис. 2.9. Графики коэффициентов условий работы свай с ростверком >

Новым направлением в проектировании свайных фундаментов, которое может дать экономические выгоды, является учет совместной работы ростверка с грунтом. Как показали исследования НИИ оснований и подземных сооружений, а также опыт проектирования, нагрузка на сваю при совместной работе с ростверком, опирающимся на грунт, может быть значительно повышена по сравнению с нагрузкой на одну сваю без учета совместной работы ростверка с грунтом, так как часть нагрузки передается через подошву ростверка (рис. 2.9).

В зависимости от грунтовых условий увеличение несущей способности при включении в работу ростверка может достигать 50%. Экспериментальное строительство домов на свайных фундаментах, запроектированных по такому способу, позволит отработать методику расчета и определить область рационального применения этой конструкции.

Успешный опыт применения короткосвайных фундаментов позволил использовать их в качестве основных решений для крупнопанельных девятиэтажных домов серий II-57, II-49, 1605, I-515, а также для 12-этажных крупноблочных домов серии II-18.

Во всех новых типах крупнопанельных экспериментальных домов повышенной этажности также применены короткосвайные фундаменты — в 17-этажных домах на проспекте Мира, на Смоленском бульваре, в квартале № 42-А Юго-Запада, в 25-этажном доме на проспекте Мира и др. В настоящее время на свайных фундаментах ежегодно возводится в Москве около 500 зданий.


Предыдущая статья:VII. Рефлексия. Следующая статья:Совершенствование конструкций стен подземной части зданий
page speed (0.0161 sec, direct)