Повышение несущей способности основания при использовании шпунтовой обоймы

Для слабых водонасыщенных грунтовых оснований Санкт-Петербурга наиболее приемлемым являются способы конструктивного усиления основания с использованием шпунтовой стенки (шпунтовой обоймы) и устройством выштампованных микросвай усиления [1, 2]. Оба метода усиления основания обосновываются геотехническими расчётами и обладают рядом достоинств и особенностей. Рассмотрим эти методы усиления оснований более подробно.

Основная необходимость устройства шпунтовой обоймы возникает, прежде всего, при углублении подвалов ниже подошвы существующих фундаментов. Шпунтовая стенка в этом случае необходима как конструктивное мероприятие, обеспечивающие устойчивость фундаментных конструкций, препятствующее горизонтальному перемещению грунта из-под подошвы фундаментов. Вдавливаемая шпунтовая стенка по периметру несущих фундаментов, выполняет функцию как элемент усиления основания, т.е. повышения его несущей способности.

Увеличение дополнительной нагрузки на основание, связанное с устройством дополнительных этажей, мансард и т. д., также может вызвать необходимость повышения несущей способности основания. Такое решение может быть реализовано методом погружения конструктивной шпунтовой стенки по периметру несущих стен.

Принципиальная схема конструктивного усиления основания с использованием шпунтового ограждения (шпунтовой обоймы) для внутреннего ленточного фундамента здания с подвалом изображена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема конструктивного усиления основания в виде шпунтовой стены (обоймы) для фундамента с подвалом по внутренней оси

На представленной схеме (рис. 1.) показано устройство конструктивной шпунтовой стенки (методом вдавливания) вдоль боковых поверхностей ленточного фундамента. Такое конструктивное усиление позволяет увеличить несущую способность основания как от дополнительного нагружения (изменение нагрузки (N), приложенной к обрезу фундамента), так и в случае углубления существующего пола подвала (снятие пригрузки – изменение расчётной схемы работы системы «основание-фундамент»). Очевидно, что устойчивость шпунтового ограждения (безосадочное решение) будет обеспечено, если пассивный отпор грунта (Еп) будет равен активному давлению (Еа), т.е. будет соблюдаться условие равновесия.

Для определения Еп вычислим вначале максимальную ординату пассивного давления (σ_{2 пас}) в сыпучем грунте, действующую на шпунтовую стенку из условия предельного состояния (см. эпюру на рис. 1):

; (1)

Тогда пассивный отпор в сыпучем грунте может быть определён выражением:

; (2)

Для глинистого (связного) грунта получим значение пассивного отпора в следующем виде:

; (3)

где γ – средневзвешенное значение удельного веса грунта, расположенного вдоль шпунта; ℓ - длина шпунта; φ - средневзвешенное значение угла внутреннего трения слоёв грунта расположенных вдоль шпунта; с – тоже сцепление слоёв грунта расположенных вдоль шпунта.

Тогда, для ленточного фундамента, взятого в шпунтовую обойму (расположение шпунта с двух сторон), можно допустить, что потеря устойчивости или исчерпание несущей способности данного фундамента возможно только в том случае, если сила предельного сопротивления усиленного основания преодолеет пассивный отпор грунта с двух сторон шпунтового ограждения. Или в аналитическом виде для основания усиленного шпунтовым ограждением, сила предельного сопротивления (N_u(ус)) (из условия устойчивости шпунта) может быть определена выражением:

; (4)

где N_u – сила предельного сопротивления основания без учёта шпунтового ограждения, определяется в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83* [3]; N_u(шп) – дополнительная составляющая для силы предельного сопротивления основания от влияния шпунтового ограждения.

В целях расчётной проверки предложенной методики, рассмотрим численное решение расчёта по двум предельным состояниям существующего фундамента по средней оси «Б» для здания по адресу: СПб., ул. Марата 40, лит. А. Расчёты выполняем с использованием интернет сайта: BuildCalc. ru по программе: http://www.buildcalc.ru/Calculations/Brnl/Default.aspx.

Использование настоящего программного обеспечения подробно описано в книге автора [4].

Результаты расчёта (версия для печати) совместно с исходными данными по данному фундаменту и грунтовым условиям, представлены на рис. 2. В представленных распечатках (рис. 2.) выведены: учётные данные; данные по фундаменту; данные по подвалу; нагрузки по обрезу фундамента; введённые и расчётные данные по грунту; дополнительная и справочная информация о реконструируемом сооружении. Итоговая таблица представлена результатами расчёта совместной работе фундамента и основания с учётом двух предельных состояний.

Рис. 2. По результатам расчета основание работает в нелинейной стадии деформирования. Рассчитанная величина осадки фундамента в основном уже реализована за многолетний период эксплуатации здания.

По результатам расчёта (рис. 2) (см. таблицу «Рассчитанные данные по основанию»), видно, что основание работает в нелинейной стадии деформирования: среднее давление под подошвой фундамента Р_ср>R – расчётного сопротивления грунта основания. При этом рассчитанная величина осадки превышает предельно допустимое значение для данного типа зданий, что уже вызывает необходимость выполнить усиление основания.

Предполагаемая реконструкция данного здания, связанная с понижением отметки пола подвала на 68 см, приведёт к изменению расчётной схемы. Результаты данного решения представлены в распечатках (версия для печати) на рис. 3. В представленном решении, для краткости изложения, приведены только изменённые параметры и результаты расчёта. Таблицы данных с одинаковыми значениями, что и на рис. 2 не приведены.

Рис. 3. Углубление подвала на 68 см вызовет необходимость устройство рабочего котлована, тогда расстояние от планировочной отметки до подошвы рабочего котлована составит 2,21 м. Представленное проектное решение при существующей вертикальной нагрузке в 312,6 кН (см. рис. 2) не устойчиво и потому потребует выполнение усиление оснований в виде устройства шпунтовой обоймы.

По результатам расчёта (рис. 3.) видно, что проектное углубление подвала приведёт к потере устойчивости данного фундамента (невыполнение условия первого предельного состояния, т.к. коэффициент надёжности определяется величиной меньше 1).

Следовательно, проектное углубление подвала для данного здания потребует проведение дополнительных работ по усилению основания. Такое усиление основания может быть выполнено в виде устройства сплошной конструктивной шпунтовой стенки (шпунтовой обоймы). Поскольку рассматриваемая задача относится к ленточному фундаменту под внутреннюю стену с симметричным расположением шпунта, то в целях упрощения расчётов, в расчётной схеме можно принять одностороннее расположение шпунта. Результаты данного решения с подробным вычислением и принятыми обозначениями в системе «mathcad» представлены на рис. 4. Более полное описание решения по данной программе можно найти в книге автора [1].

Вычисления:

Рис. 4. Минимальная длина шпунта с коэффициентом надёжности η=1,0 составит 2,4 м.

Представленные результаты расчёта на рис. 4 позволяют для заданных условий (см. исходные данные) в вариантном решении выбрать оптимальную длину шпунта (см. график η(hh)), которая будет соответствовать коэффициенту надёжности (η) равному 1. В данном случае это шпунт длиной 2,4 м, для которого пассивный отпор (Ер1(hh)) составит 88,8 кН.

Таким образом, погружение шпунтовой стенки длинной 2,4 м вдоль подошвы ленточного фундамента даёт возможность увеличить несущую способность основания под данным фундаментом на 88,8 кН. Поскольку шпунт под внутреннюю стену здания по оси «Б» выполняется с двух сторон подошвы фундамента, то увеличение несущей способности от данной шпунтовой обоймы составит в два раза больше, т.е. 2х88,8=177,6 кН.

Тогда, в соответствии с выражением (4)можно допустить, что шпунтовая обойма воспринимает нагрузку в 177,6 кН (эффект усиления основания), а оставшаяся часть из общей вертикальной нагрузки: 312,8-177,6=135,2 кН будет восприниматься грунтом основания. В этом случае работу грунтового основания следует пересчитать на вертикальную нагрузку в 135,2 кН, и, таким образом, оценить эффект усиления данного основания шпунтовой обоймой.

Результаты данного расчёта представлены на рис. 5. В представленном решении, для краткости изложения, приведены только изменённые параметры и итоговые результаты расчёта. Таблицы данных с одинаковыми исходными значениями, что и на рис. 2 не приведены.

Рис. 5. Представленное решение по углублению подвала на 68 см вызовет необходимость устройство рабочего котлована, тогда расстояние от планировочной отметки до подошвы рабочего котлована составит 2,21 м. Данное проектное решение (передача на основание только части вертикальной нагрузки в размере 135,2 кН) совместно с работой шпунтовой обоймы (восприятие шпунтом нагрузки в размере 177,6 кН) вполне допустимо, т. к имеет коэффициент надёжности 1,22.

Полученное по результатам расчёта (рис. 5) решение по углублению подвала с устройством конструктивного шпунта обеспечивает надёжную работу основания.

Проектное решение по устройству конструктивной шпунтовой стенки, в соответствии с условиями рассматриваемого примера, представлены на рис. 6.

Рис. 6. Проектное решение по устройству конструктивной шпунтовой стенки, в соответствии с условиями рассматриваемого примера.

Таким образом, шпунтовая обойма, воспринимая часть нагрузки, позволяет не только выполнить необходимые технологические работы по углублению подвала, но и увеличивает несущую способность основания.