Анализ проектирования железобетонных косоуров на металлических сваях по насыпи жилой застройки на просадочном грунте

Кашина Е.С., Габова В.В., Быкодеров М.В. Анализ проектирования железобетонных косоуров на металлических сваях по насыпи жилой застройки на просадочном грунте // Инженерный вестник Дона, №2 (2025)

В настоящее время появляется всё больше жилых комплексов, которые имеют малые размеры земельных участков со значительными высотными перепадами в пределах плотной городской застройки [1, 2], либо на местности, которая ранее казалась невозможной для строительства. Сложностью таких застроек является необходимость вписать требуемое благоустройство, автопарковки, детские площадки и другие зоны в сильно ограниченное пространство.

При разработке генерального плана есть возможность изменить вертикальную планировку участка, однако при большой разнице в высоте чаще всего прибегают либо к конструкции подпорных стен, либо выполняют устройство насыпи — искусственный склон, выполненный из насыпного и уплотнённого грунта.

В исследовании предлагается актуальный подход к проектированию и возведению тела насыпи с монолитными косоурами для лестницы благоустройства в условиях сложного грунтового основания.

1 этап: разработка устройства насыпи. В рассматриваемом варианте насыпь располагается между двух автостоянок (рис.1).

Данный участок под застройку располагается на слабом основании. По полученным данным инженерно-геологического изыскания был найден слой грунта, который проявляет просадочные свойства при замачивании под нагрузкой. При выполнении лабораторных испытаний были взяты несколько проб из разных скважин и определено, что большая часть насыпи располагается на втором типе просадочности, но присутствует и первый тип. Осадка под собственным весом составляет 5 – 15 см. Геологический разрез представлен на рис.2. Физико-механические свойства ИГЭ представлены в таблице 1.

Просадочные грунты, особенно второго типа, не являются надёжным основанием как для конструкций, так и для насыпи. Для перехода от II типа к I существует несколько решений: котлован заливают водой на длительный период времени или выполняют трамбовку участка. В расчётном случае рассматривается второй вариант [3, 4].

Обязательно выполняется полная экскавация грунта 1 (насыпные грунты – данный ИГЭ не может являться естественным основанием). Далее ИГЭ-2 суглинки – для устранения просадочности II типа на участке строительство производится частичная замена грунта с последующей трамбовкой конечной толщи просадочного ИГЭ-2 с переводом в I тип, со значением деформации просадки равной 1,5 см [5, 6]. Экскавация грунта производится до отметки заложения ИГЭ-2 и на толщину в 2 метра выполняется уплотнение. ИГЭ-3 песчано-алевритовые породы, которые могут являться естественным основанием.

Необходимая плотность грунта назначается не менее 1,65-1,70 т/м3 для того чтобы достичь полного устранения просадочных свойств, задаётся средним значением плотности сухого грунта в уплотнённом состоянии и значением на его нижней границе уплотняемого участка – не менее 1,6 т/м3.

Тяжелые трамбовки применяются для всех видов грунтов, которые могут находится как в естественном залегании, так и при возведении насыпей, обратных засыпках и других. Глубина и эффективность уплотнения тяжелыми трамбовками hs зависит от характеристик грунта: плотность,

влажность, структурная прочность, и от средства механизации: диаметр и масса трамбовки, режим уплотнения, высота сбрасывания. При оптимальной влажности принимается по формуле (1):

k = 1,8 – коэффициент, принимаемый по данным экспериментальных исследований для супесей и суглинков (п.3.86 «Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83*)»);

d = 1, 2 – диаметр основания трамбовки.

Величина недобора грунта до проектной отметки заложения щебеночной подушки Δh , определяется по формуле (2):

ps = 1, 60 т/м3 – среднее значение плотности сухого грунта до уплотнения (по данным инженерно-геологического отчета);

pds = 1, 65 т/м3 – среднее значение плотности сухого грунта в пределах уплотнённого слоя.

Принимаем величину недобора грунта 100 мм.

Диаметр и масса трамбовок назначаются из условия, что статическое давление на грунт составляет не менее 15 кПа. Тогда при трамбовке статическим давлением на грунт p = 20 кПа масса составляет (3):

F = 1,13 м2 – площадь основания трамбовки диаметром 1,2 м;

g = 9,81 м/c2 – ускорение свободного падения.

Наибольшая эффективность уплотнения котлована достигается при оптимальной или близкой к ней влажности грунта. Её определяют по результатам опытного уплотнения или приближенно принимается равной (4):

Wp = 0,17 – влажность на границе раскатывания несущего слоя основания.

После трамбовки выполняется обратная засыпка [7] песком средней крупности с плотностью не менее ps = 1, 60 т/м3 до нижней отметки корыта асфальтового покрытия (нижней автостоянки).

На этапе проектирования был определён максимальный уклон насыпи

– 1:1.59, по таблице 7.3 СП 34.13330.2021 «Автомобильные дороги» определено, что насыпь находится в нормальных условиях эксплуатации. Однако любой грунт, находящийся в наклонном состоянии, имеет свой радиус скольжения и тело призмы обрушения. Конструктивно по радиусу скольжения выполняем подушку из щебня 450 мм фракции 40-70 с заходом под верхний участок на 3 м.

Основное тело насыпи выполняется из суглинка с коэффициентом

уплотнения Kcom = 0, 95 .

Последним выполняется покрытие насыпи. По проекту благоустройства по насыпи должен быть произведён посев травы, тогда пирог будет выглядеть следующим образом:

- растительный грунт,

- георешетка 150 мм,

- геотекстиль,

- щебень (фракция 5-20) 100 мм,

- уплотнённое основание Kcom = 0, 95 .

Георешетка крепится к телу насыпи с помощью анкеров из арматуры А500С. Полная схема устройства откоса насыпи представлена на рис.3. Высота решетки зависит от уклона и грунта насыпи, в расчёте наибольший угол получился 31°, тогда принимается высота 150 мм.

2 этап: разработка конструкций железобетонных косоуров на металлических сваях (рис.4).

Металлические сваи выполняются из трубы 325х8 ГОСТ 10704-91.

Особенностью данных свай является поэтапное их наращивание [8], так как несущим слоем для них является ИГЭ-3 (рис.3) выше которого существует конструктивный щебеночный слой по обратной песчаной засыпке. Устройство свай выполняется за два этапа со стыковочным швом (рис.5). На первом этапе трубу погружают в грунт ИГЭ-3 до проектной отметки, верхний конец сваи находится на 500 мм выше отметки устройства щебеночной подготовки под тело насыпи. Свая заполняется бетоном класса В7,5 и после устройства щебеночной подготовки выполняется второй этап – наращивание металлической сваи по узлу. Узел выполняется с помощью четырёх сегментов трубы такого же диаметра. Далее производится восстановление гидроизоляции по месту стыка.

Металлические сваи соединены с железобетонными балками [9, 10] с размерами 650х400 мм с помощью дополнительной арматуры, которая приварена к телу сваи снаружи по кругу и выходит наверх на 400 мм. Для выдержки анкеровки стержни соединяются между собой с помощью 3-х приваренных полос. Между собой балки соединяются поперечными косоурами 600х400 мм. Учитывая раздел 10 СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции», принят для монолитных косоуров защитный слой 40 мм, конструкция располагается в грунте, следовательно, выполняется обязательная гидроизоляция (рис.6,7).

Балки армируются 8⌀16 А500С и соединяются между собой хомутами поперечного армирования ⌀8 А240 с шагом 200 мм и шпильками ⌀6 А240. Для выполнения последующего благоустройства, всё пространство между балками заполняется песчано-гравийной смесью (фракция 5-20).

Вывод

При проектировании любых строительных конструкций на искусственной насыпи важно рассматривать несколько задач в совокупности. Каждая из них подразумевает проведение расчетов и принятие решений для обеспечения безопасности эксплуатации. В процессе разработки могут потребовать дополнительные этапы возведения, которые обязательно должны быть учтены. Прибегая к использованию уже имеющейся литературной базе и создавая новые методы и подходы к проектированию, можно достичь надежности, долговечности и эффективности в каждом новом проекте.

Литература

1. Кашина Е.С., Габова В.В. Применение свайных фундаментов в условиях плотной городской застройки // Актуальные проблемы и перспективы развития строительного комплекса: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., 13-14 дек. 2023 г., Волгоград / Волгогр. гос. техн. ун-т ; под ред. О. В. Бурлаченко. - Волгоград, 2023. - C. 40-45.

2. Зильберова И.Ю., Петров К.С., Киселева Е.В., Горников С.С. Мероприятия по организации "зеленых зон" в условиях плотной застройки города // Инженерный вестник Дона. – 2018. – № 1. – URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4723

3. Шумилов Н.Н., Сергеева Н.Д. К вопросу комплексно-механизированной организации технологических процессов вытрамбовки котлованов под устройство фундаментов // Вестник магистратуры. – 2024. – № 7(154). – С. 18-23.

4. Свенторжицкий М.П. Влияние точности определения значения коэффициента переуплотнения на расчетные параметры грунтов // Инженерные исследования. – 2024. – № 1(16). – С. 37-44.

5. Wesley L.D. Soil Compaction. In Fundamentals of Soil Mechanics for Sedimentary and Residual Soils, Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2009, pp. 391–404.

6. Mohajerani A., Nguyen Bao Thach, Wang Zh., Antequera M. A practical technique for the compaction control of sand in road construction: using a dynamic lightweight cone penetrometer. Road Mater. Pavement Des., vol. 22, no. 1, pp. 200–214, 2019.

7. Федоров С.А., Плотникова А.С. Особенности уплотнения грунтов обратной засыпки в траншеях // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: Сборник научных трудов. – Хабаровск : Тихоокеанский государственный университет, 2024. – С. 102-104.

8. Алексеев А.Г., Сазонов П.М., Поверенный Ю.С., Зеленин Д.А., Фефелов А.В., Саитов А.В. Усовершенствование конструкции стальных свай в многолетнемерзлых грунтах // Промышленное и гражданское строительство. 2022. № 1. С. 34-38. DOI: 10.33622/0869-7019.2022.01.34-38.

9. Пшеничкина В.А., Аладил Ясир Амер Абд, Маджед Мохаммед Али Мохаммед Салех. Сравнительный анализ различных типов соединенных железобетонных балок // Актуальные проблемы и перспективы развития строительного комплекса: сб. ст. междунар. науч.-практ. конф., 1-2 декабря 2020 г., Волгоград: в 2-х ч. / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Волгогр. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2020. - Ч. 1. - C. 31-36.

10. Маилян Д.Р., Несветаев Г.В, Коллеганов Н.А. К определению трещиностойкости железобетонных балок из различных видов бетонов // Инженерный вестник Дона. – 2023. – № 1. – URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2023/8175