Свайный фундамент широко используется для высотных или нагруженных зданий, а также в слабых грунтах. Со временем состояние грунта может ухудшиться и в дальнейшем не позволяет выдерживать большие нагрузки. Одним из наиболее результативных способов для его укрепления считается метод контурного армирования, когда основание усиливается дополнительными элементами. Ученые Пермского Политеха определили, как разные способы армирования влияют на прочность фундамента и разработали рекомендации, которые позволят предотвратить преждевременные разрушения ответственных зданий и сооружений и увеличить срок их службы.
Свайный фундамент / © another69, Freepik
Статья опубликована в журнале Construction and Geotechnics. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Свайный фундамент используют в качестве основания зданий при больших нагрузках и в сложных грунтовых условиях. Несущая способность определятся в зависимости от диаметра свай и их длины. Он максимально эффективен на нестабильных грунтах – участках с уклоном, болотах, торфяниках и рядом с реками, которые постоянно выходят из берегов.
Средний срок службы такого фундамента варьируется от 50 до 120 лет. Несмотря на разностороннее применение, как и любой другой фундамент, он подлежит старению и нуждается в укреплении. Одним из самых эффективных способов для этого признано контурное армирование.
Это внедрение твердых элементов по периметру ростверка – верхней части фундамента. Такие армоэлементы могут быть изготовлены из разных материалов и иметь различную конструкцию, включая подвижный цементно-песчаный раствор. Часто его закачивают по технологии одновременной подачи через группу инъекторов – инструментов с эффектом поршня. Они располагаются вдоль контура фундамента и позволяют формировать в грунте вертикально ориентированный диск условно прямоугольной формы. Так образуется дополнительное сжимающее грунт давление, которое увеличивает несущую способность грунта.
Ученые Пермского Политеха определили, как разные способы контурного армирования влияют на изменение напряженно-деформированного состояния грунта. От него зависит долговечность и качество строительства. А затем сформулировали рекомендации, какие варианты наиболее выгодны не только с точки зрения укрепления, но и с учетом расходов на материалы.
В качестве объекта исследования взяли размеры и нагрузку типичную для фундаментов каркасных железобетонных зданий сельскохозяйственного и производственного назначения. Расчеты проводили с учетом истории нагрузки последовательно в три стадии: от собственного веса грунта; после устройства фундамента и элементов усиления; после приложения нагрузки.
Всего политехники с помощью программы просчитали 16 схем усиления – сравнили сплошное (единой стеной вдоль нескольких свай) и прерывистое (вдоль каждой сваи отдельно) контурное армирование; по всему периметру или по двум противоположным сторонам верхней части фундамента на разную глубину.
В ходе эксперимента ученые Пермского Политеха выявили, что увеличение количества армоэлементов снижает риск смещения свай в ходе эксплуатации. Например, при усилении сплошным контурным армированием вдоль всего периметра ростверка (от подошвы до нижнего конца свай) деформации снижаются на девять процентов относительно значения осадки свайного фундамента на естественном основании. В случае армирования на 1/6 по глубине – осадка снижается на семь процентов.
«Однако даже минимальное армирование положительно сказывается на напряженно-деформированном состоянии грунтового массива. Прерывистое контурное армирование считается более эффективным в соотношении качества укрепления и затрат на материалы. Осадка становится меньше на 3-6% в зависимости от количества слоев армоэлементов, что считается хорошим показателем. При этом повышение числа элементов не всегда приводит к снижению деформаций, а эффективность укрепления может даже снижаться», – поясняет Андрей Пономарев, профессор кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ.
В связи с этим, усиление по технологии одновременной подачи раствора целесообразно выполнять поэтапно – увеличивая количество армоэлементов и меняя схему их расположения в плане: от прерывистого контурного армирования вдоль двух противоположных сторон к сплошному и вдоль всего периметра. Также существует вариант постепенного увеличения глубины армирования при постоянном количестве армоэлементов в плане. Описанный метод является адаптивным, то есть необходимость проведения последующих работ определяется по результатам прослеживания динамики развития деформаций в процессе и после завершения каждого этапа.
Результаты исследования ученых Пермского Политеха облегчают процесс укрепления основания, увеличивают срок его службы, а также снижают риск преждевременного разрушения фундамента и повреждений несущих стен конструкции здания.
