Порівняльна характеристика фундаментів будівель і споруд із паль та на армованій основі

Під армуванням основи розуміється покращення фізико-механічних властивостей ґрунтового масиву шляхом влаштування в ньому вертикальних жорстких елементів, які сумісно працюють з ґрунтом і конструктивно не зв’язані з фундаментом. Досягнення необхідних якостей основи добиваються варіюванням об'ємом елементів, які добре працюють на стиск і мають високе зчеплення з оточуючим ґрунтом, що забезпечує сумісну роботу ґрунту і елементів армування [1].

Технологія армування основ в значній мірі залежить від особливостей нашарування ґрунтів. Найбільше цей метод поліпшення основ знаходить застосування у структурно-нестійких ґрунтах, таких як лесові просадочні, слабкі водонасичені, пухкі піщані і насипні ґрунти. Армування товщ таких ґрунтів може бути виконано за технологію глибинного ущільнення ґрунтів, продавлюванням свердловин з заповненням їх шлакобетоном, розчином, пісним бетоном або шлаком з ущільненням; створенням в масиві елементів шляхом закріплення силікатизацією, смолінням, цементуванням чи іншими методами. Для більш повного використання несучої здатності матеріалів доцільно використовувати елементи армування, міцність яких зменшується від центру до країв [2,3].

Відстані між елементами армування та їх довжина приймаються виходячи із необхідної міцності та деформативності основи і залежать від фізико-механічних характеристик ґрунтів і навантажень, які передаються на основу. В залежності від відстані у плані між елементами армування ґрунту і міцності ґрунтоцементу модуль деформації слабкого ґрунту можливо збільшити у 3-6 і більше разів.

Для порівняння ефективності використання плитного фундаменту на основі, що армована вертикальними ґрунтоцементними елементами, як альтернативу пальово-плитному фундаменту із буронабивних паль, розглянемо конкретні умови будівництва висотного житлового будинку в нагорної частини м. Києва

Для перевірочних розрахунків каркасу будівлі використаний обчислювальний комплекс "SKAD", що реалізує рішення пружних задач для статичних і динамічних навантажень. Розглянута розрахункова схема каркасу будівлі представлена ансамблем пластинчастих і стрижневих кінцевих елементів. Стрижневими елементами моделюється пальова основа. Пластинчастими елементами моделюються стіни, перекриття й плитний ростверк. Товщина плитного ростверку 2000 мм.

Виконано розрахунки на основні завантаження:

• вертикальні постійні й тимчасові навантаження, об'єднані в одне завантаження;

• статичне вітрове навантаження;

• пульсаційна складова вітрового навантаження;

• сейсмічне навантаження 7 балів.

З рівня підошви плити (ростверку для пальового варіанту) залягають такі інженерно-геологічні елементи: ІГЕ-3 – супісок жовто-сірий, пластичний; ІГЕ-4А – глина червоно-бура, напівтверда; ІГЕ-5 – супісок сіро-білий, каолінізований, твердий (полтавська свита); ІГЕ-6 – пісок дрібний, білий, щільний, маловологий (полтавська свита).

Для розрахунків варіанту плитного фундаменту на армованій основі приймемо модуль деформації ґрунтоцементу Esc=500 МПа. Потрібний приведений модуль деформації зміцненого ґрунтового масиву - Е = 62 МПа. Розміри плити фундаменту b = 35,7 м; a = 39,97 м; площа А =1427 м²; товщина δ = 2,0 м; середній тиск під підошвою фундаменту складає р = 729,2 кПа.

Інженерно-геологічний розріз ділянки наведено на рис.1, а основні показники ІГЕ наведені у табл.1.

Рис. 1. Розміщення ґрунтоцементних паль в межах зміцненого масиву ґрунту.

Таблиця 1

Дані до розрахунку осідань плитного фундаменту на армованій основі

Таблиця 1

За таблицею Е.1 "СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: Госстрой России. - 2004" для будівель, що відносяться до промислових, громадських одноповерхових та багатоповерхових з повним залізобетонним каркасом, з влаштуванням залізобетонних поясів чи монолітних перекриттів, а також будівель монолітної конструкції, максимальне допустиме осідання становить S_u=15 см, а крен i=0,003. При цьому в примітці під таблицею вказано, що для споруд, фундаменти яких виконані у вигляді суцільних плит, допустимі значення осідання можна збільшувати в 1,5 рази. Таким чином при виконанні ростверку в вигляді плити, допустимі деформації складуть: осідання - S_u = 22,5 см, а крен і = 0,005.

Згідно пункту 2.40, б СНиП 2.02.01-83* при ширині фундаменту 35,7 м і модулю деформації ґрунтів Е ≥ 10 МПа для розрахунку осідання плитного фундаменту слід використовувати розрахункову схему основи у вигляді лінійно-деформованого шару (формула (7) додатку 2 СНиП 2.02.01-83*).

При середньому тиску під підошвою плити р = 729,2 кН осідання фундаменту висотної будівлі складе S=5,9 см < S_u = 22,5 см.

Крен фундаменту при дії позацентрового навантаження визначається за формулою (10) додатку 2 СНиП 2.02.01-83*. При навантаженнях N_п = 1040470 кН та ΣМ_п = 2222656 кН·м і ексцентриситеті е = 2,136 м крен будівлі складе і = 0,001< i_u = 0,005.

Для варіанту плитно-пальового фундаменту запроектований фундамент із буронабивних паль діаметром 800 мм, довжиною 20 м, об’єднаних плитним залізобетонним ростверком товщиною 2 м.

За розрахунком сумісної роботи паль у плитному ростверку навантаження на палі зростають від центра плитного ростверку до периферії. В процесі зведення будівлі на палях у плитно-пальовому фундаменті формуються дві характерні зони – периферійна та центральна. Причому зусилля першої зони перевищують другу близько двох разів. Окрім цього в процесі деформування переміщення ґрунту разом з палями призводить до незначної передачі зусиль по бічній поверхні центральних паль. Останні працюють як стійки, а зусилля по периметру плитно-пальового фундаменту передаються переважно за бічною поверхнею.

За даними статичних випробовувань набивних паль на майданчику будівництва розрахункове навантаження на палю склало N = 4900 кН. При навантаженнях N_I = 1248564 кН та ΣМ_I =2667187 кН·м кількість паль у ростверку прийнято 414.

Осідання умовного пальового-плитного фундаменту висотної будівлі складе S=16,1 см < S_u = 22,5 см., а крен її складе і = 0,002 < 0,005.

На основі отриманих витрат матеріалів та об’ємів робіт за допомогою програмного комплексу АВК-3 було складено локальні кошториси (форма №4) по кожному з варіантів. Вони розроблялися на основі:

• ресурсних елементних кошторисних норм на будівельні роботи (РЕКН, ДБН Д.2.2 - 99);

• збірника єдиних середніх кошторисних цін на матеріали, вироби та конструкції (ЗЄКЦ – 97, ДБН IV – 4-97);

• збірника єдиних середніх кошторисних цін на матеріали, вироби та конструкції – індивідуальні норми;

• збірника цін на перевезення ґрунту;

• вартість матеріальних ресурсів і машино-годин прийнято за регіональними поточними цінами станом на дату складання документації та за усередненими даними Держбуду України;

• загально виробничі витрати розраховані відповідно до усереднених показників додатка 3 до ДБН Д.1.1 – 1 – 2000.

В економічній науці існує дуже розгалужена система показників. Наявність цієї системи дозволяє оцінити складні господарські та технічні вирішення з різних боків і з достатньою ступінню точності. Однак ці показники, як правило, суперечливі. В зв'язку з цим виникла задача співставлення економічних показників у єдиному несуперечливому показнику, абсолютна величина якого одночасно свідчила б про економічну оцінку варіантів. Таким показником є приведені витрати, що отримали широке розповсюдження у практиці економічного оцінювання варіантів проектних рішень:

З_n=C+E_н*K,      (1)

де З_n – показник приведених витрат;

С – собівартість будівельно-монтажних робіт;

E_н =0,16 – коефіцієнт ефективності інвестицій;

К – розмір інвестицій (капітальні вкладення у виробничі фонди).

Величина С і К прирівнюються за допомогою нормативного коефіцієнта ефективності капітальних вкладень E_н, який є допустимим мінімумом зниження собівартості на одиницю додаткових капітальних вкладень, за якими вони визнаються ефективними.

Собівартість робіт визначається за формулою:

С = ПВ+ЗВВ,    (2)

де ПВ – прямі витрати, грн. Під прямими витратами розуміють витрати, пов'язані з виконанням будівельних робіт, які можна прямо та безпосередньо включити до собівартості конкретних будівельних робіт;

ЗВВ – кошторисна величина загальновиробничих витрат, грн.

Капітальні вкладення у виробничі фонди:

К=К_ОВФ+ К_{обігові кошти},     (3)

де К_ОВФ– основні виробничі фонди;

К_{обігові кошти} = С_см/К_обор– обігові кошти,

де С_см – кошторисна вартість (всього по кошторису), грн.;

К_обор.= 3-4.

Основні виробничі фонди визначаються за формулою:

, (4)

де Ф_і – первісна вартість і-тої машини, грн.;

Т_і – тривалість роботи і-тої машини на об’єкті, год.;

Т_і,річн – нормативна тривалість роботи за рік, год.

Таблиця 2

Викладений матеріал впровадження методу армування основи, яка складена стисливими ґрунтами, вертикальними елементами, що виконані за бурозмішувальною технологією, при будівництві висотного житлового будинку, дозволяє зробити такі основні висновки:

• Влаштування плитного фундаменту на основі, яка поліпшена армуванням вертикальними ґрунтоцементними жорсткими елементами, що виготовлені за бурозмішувальною технологією, під висотну будівлю взамін плитно-пальового фундаменту на буронабивних палях дозволяє значно знизити витрати на будівництво.

• Спосіб підсилення слабкої основи армуванням вертикальними жорсткими елементами, що виготовляються за бурозмішувальною технологією, регламентовано п.6.3 ДБН В.3.1-1-2002. Використання вказаного способу закріплення основи у конкретних ґрунтових умовах показало, запропонованого варіанту фундаментів значно менше ніж пальових при менших витратах.

• Значна ефективність плитного фундаменту проти пальового обґрунтовується такими основними факторами:

• пальовий фундамент з причин локальної концентрації напружень за вістрям і бічною поверхнею паль необхідно розраховувати за першим граничним станом, тобто, враховувати розрахункові навантаження (збільшені на 20% проти нормативних) і характеристики ґрунту (зменшені на 10-15%); разом маємо коефіцієнт запасу в 1,3 рази проти одиниці при розрахунках за другим граничним станом фундаменту на армованій основі;

• з тієї ж причини локальної концентрації напружень палю необхідно занурювати у надійний шар, який би не мав слабкого підстильного шару, як це часто буває особливо в алювіальних відкладах; у цих випадках слабкий шар необхідно прорізати, тобто, збільшувати довжину палі; при цьому верхня частина основи практично відключається від сприйняття напружень від споруди;

• фундамент неглибокого закладення (окремий, стрічковий, плитний) за своєю схемою роботи з основою більш досконалий тому, що включає у роботу усю основу з розподілом напружень за її глибиною відповідно до законів класичної механіки ґрунтів; на слабкі прошарки і лінзи передаються загальні розподілені напруження значно менші ніж на контакті підошви фундаменту і основи; звичайно, що верхні шари основи переважно значно стисливі ніж нижні і загальне осідання фундаменту може перевищити норму; армування основи знімає цей головний недолік і дозволяє легко регулювати стисливість основи.

• Технологія влаштування забивних, вдавлених, набивних паль має суттєві недоліки і складності порівняно з армуванням ґрунту у тому, що:

• відхилення положення паль від проектного викликає додаткові витрати на влаштування дублів і збільшення ростверків, у той час як влаштування армоелементів не має таких жорстких умов з причини відсутності безпосереднього контакту з фундаментом;

• динамічне занурення паль взагалі не доцільне в умовах існуючої забудови; вдавлення збірних паль потребує зусилля у 1,5 рази більшого ніж її несуча здатність у глинистих ґрунтах, а у пісках не менше ніж у 3 рази і навіть це не гарантує занурення паль на проектну відмітку; при влаштуванні набивних паль лише наявність глинистого розчину гарантує якість їх виготовлення [4], у той час влаштування ґрунтоцементних елементів за бурозмішувальною технологією повністю виключає прорив рухливого ґрунту до свердловинитому, що руйнування ґрунту ведеться під вагою стовпа текучого ґрунтоцементу.

1. Безволев С.Г. Совершенствование метода расчета свайных полей и вертикально армированых грунтовых массивов. Сборник научных трудов. - М.: НИИОСП из-во "ЭСТ". - 2006. - с. 82-92.

2. P.S. Seco e Pinto. Ground improvement - New developments.- .- Proceedings of the 17 th. EYGEC, V. Sravits - Nossan (ed.), Zagreb: Croatia, 20-22 July.- 2006.- p.p. 3-36.

3. Кuokkanen M. Mass and Column for a Stabilization of Peat and Clay for a Road Embankment in Sodertalje, Sweden.- Proceedings of the 17 th. EYGEC, V. Sravits - Nossan (ed.), Zagreb: Croatia, 20-22 July.- 2006.- p.p. 123-132.

4. Черний Г.І., Будівництво нових споруд в умовах щільної міської забудови.„Будівництво України”, №4, 2000. – с. 6-9.