Особенности устройства фундаментов

Попсуенко И.К., Чурилов Н.Г., Башкатов А.В.

Основной особенностью фундаментов расширяемой обогатительной фабрики является отсутствие свай на расширяемой ее части. Это может привести к неравномерным осадкам фундаментов главного корпуса обогатительной фабрики при его эксплуатации. Поэтому было запроектировано усиление фундаментов расширяемой части обогатительной фабрики с помощью буроиньекционных свай. Проектирование буроиньекционных свай было осложнено необходимостью бурения существующих фундаментов расширяемой части обогатительной фабрики и возможностью нарушения арматурных каркасов существующих фундаментов. Для минимального нарушения арматуры в проекте предусмотрено размещение свай с учетом расположения арматурных каркасов и применения метода уширения скважин для буроиньекционных свай ниже подошвы фундамента с помощью способа по патенту №2327007.

Особенности устройства фундаментов при расширении обогатительной фабрики горного комбината в г. Старый Оскол

Горно-обогатительный железорудный комбинат в г. Старый Оскол расположен на площадке сложенной в геологическом отношении отложениями четвертичного, палеогенового и верхне-мелового возрастов.

Три из четырех существующих секций обогатительной фабрики, каждая длиной по 72 м, шириной по 84 м (рис.1) нормально эксплуатируются с 1970 г.и возведены на забивных сваях 30х30 см, полностью прорезающих четвертичные грунты и опирающихся на алевритистые глины палеогенового возраста.

Особенностью обогатительных фабрик железорудных комбинатов является наличие высоких нагрузок на фундаменты и их неравномерное распределение по длине секций. Разделение обогатительной фабрики на секции обусловлено автономным технологическим процессом обогащения руды в каждой из них при необходимости перемещения тяжелых кранов вдоль всех секций- существующих и пристраиваемых. Это в свою очередь требует отсутствия каких-либо деформаций на стыках между секциями и внутри них.

С целью увеличения объема выпускаемого концентрата руды была возведена 4-я секция, вплотную примыкающая к 3-й. Четвертая секция не достроена и ее каркас был возведен в 1990 г. на фундаментах на естественных основаниях с опиранием их подошвы на трепеловидные глины палеогенового возраста (ИГЭ-7, Табл.1), характеризующихся сравнительно низким модулем деформации и высоким коэффициентом пористости (1.24). При этом, частично возведенный железобетонный каркас здания 4-й секции с фундаментами на естественном основании, без покрытия, отвода атмосферных вод простоял вплоть до 2005г.

В связи с повышением нагрузок вследствие модернизации оборудования за прошедший период с 1990 г. по настоящее время, простаиванием котлована без защиты от атмосферных осадков, увеличения до 0.5 МПа давления на основания фундаментов 4-й секции было принято решение об их усилении применением буроинъекционных свай. Данное решение было обосновано сопоставительным расчетом осадок фундаментов 4-й секции на естественных основаниях и фундаментов, усиленных буроинъекционными сваями.

Расчет осадок фундаментов на естественных основаниях выполнен методом конечных элементов (МКЭ) с помощью программы PLAXIS версии 8.2 [3] с использованием модели грунта Мора-Кулона для продольного разреза 4-й секции по ряду Б-В ( Рис.2). Физико-механические характеристики грунтов принятые в расчете представлены в Таблице 1.

Следует отметить, что нагрузки, принятые в расчете соответствуют 75% полной расчетной нагрузки, т.к. предполагалось, что осадка от действия 25% полной расчетной нагрузки была реализована до начала реконструкции корпуса. Результаты расчетов показали, что ожидаемая осадка фундаментов на естественных основаниях при действии 75% полной расчетной нагрузки без усиления их буроинъекционными сваями может достигать 367 мм (Рис.2), что намного превышает осадку, допускаемую строительными нормами. В связи с этим было принято решение об усилении фундаментов корпуса буроинъекционными сваями.

Испытания буроинъекционых свай диаметром 200 мм и глубиной 12 м, примененных для усиления фундаментов 4-й секции, показали их несущую способность 30-37тс (рис.3).

При такой несущей способности потребовалось выполнить более 800 буроинъекционых свай для усиления фундаментов 4-й секции. Усиливаемые фундаменты 4-й секции представляют собой (Рис.1) массивные монолитные железобетонные конструкции толщиной 2.5-1.8 м, армированные тремя-пятью, расположенными по вертикали, арматурными горизонтальными каркасами-сетками с размерами ячеек 200х200-250х250 мм. Четвертая секция корпуса обогащения имеет размер 69х83.5м в осях 59-70 в пределах рядов А-Е. Размеры фундаментов по различным осям различные (Рис.1):

• по оси «А» фундамент представляет собой ленточный фундамент шириной 5.2м, разрезанный на отрезки по 4.8-5.2м, с промежутками между фундаментами 0.5-0.9м, полное давление под подошвой фундамента - 436 кПа;
• по осям «Б/В» и «Е» - конструкция фундаментов схожа с фундаментами по оси «А» - т.е. представляет собой фактически ленточные фундаменты шириной, соответственно, 10.2м и 4.8м, разрезанные на ленты длиной, соответственно, 23м и 7.8м, с промежутками между фундаментами 0.5-0.9м с полным давлением по подошве фундаментов, соответственно, 410 и 283 кПа;
• по осям «А/1» и «Г/Д» фундаменты отдельно-стоящие с осевым шагом 6 и 12м вдоль буквенных осей, с размерами подошвы по оси А/1 - 2.7х3.3м, по оси Г/Д - 6.6х10.5-4.8х6м и полным давлением под подошвой фундаментов, соответственно, 470 и 320 кПа.

Само по себе устройство буроинъекционных свай в подобных конструкциях связано с значительными технологическими трудностями, в особенности при проходке скважин в железобетоне через арматурный каркас. В связи с этим было решено ограничиться диаметром скважин под буроинъекционные сваи, приближающимся к размеру ячейки арматурной сетки и не превышающем 180-200 мм с целью минимально возможного нарушения рабочей арматуры.

Кроме этого, вертикальные оси буроинъекционных свай располагались на усиливаемых фундаментах с шагом, кратным 200 мм строго по вертикальным проекциям над центрами ячеек самых нижних, наиболее напряженных рабочих сеток согласно расположению арматурных каркасов в фундаментах.

Расчетная проверка конструкции железобетонных фундаментов с учетом возможного нарушения 20% рабочей арматуры при проходке скважин через усиливаемые фундаменты показала достаточность остающейся арматуры при действии расчетных нагрузок.

Для сокращения в перспективе количества свай для усиления фундаментов на площадке были выполнены и испытаны опытные буроинъекционные сваи с джет-размывом ствола до диаметра 400 мм при начальном диаметре 200 мм (патент России № 2327007, приоритет от 30.11.2006 г., «Способ образования буроинъекционной сваи»). Испытания таких свай показали их несущую способность 86 т (рис.3). Основным преимуществом данного способа является сравнительно малый начальный и увеличенный конечный диаметры сваи, что позволяет минимально нарушать сечение усиливаемого фундамента и арматуру ростверка с одновременным увеличением несущей способности свай в 2 и более раз по грунту основания в сравнении с традиционными буроинъекционными сваями.

Основной проблемой при пристройке вплотную к полностью нагруженной существующей секции является обеспечение максимальной равномерности деформаций вновь пристраиваемой и существующей секций. Это может быть достигнуто применением под пристраиваемой секцией свайного фундамента, обладающего жесткостью, обеспечивающую минимальную разность осадок между пристраиваемой и существующей секциями.

Подбор необходимой жесткости свайного фундамента пристраиваемой секции может быть осуществлен на основе результатов статических испытаний свай и обратным пересчетом модулей деформации грунтов под нижними концами свай.

Для максимально достоверного прогноза деформаций существующих и вновь пристраиваемых секций обогатительной фабрики были выполнены опытные сваи и натурные статические испытания по две сваи всех примененных на строительстве данной фабрики видов: забивных свай сечением 30х30 см, буроинъекционных -диаметром 200 мм, буроинъекционных свай по новому способу (патент России № 2327007) с начальным и конечным диаметром соответственно 200 и 400 мм, буронабивных свай диаметром 400 мм, длиной для всех видов свай по 10 м (рис.3).

По результатам испытаний обратным пересчетом осадок свай были определены модули деформации грунтов под их нижними концами по формуле для осадок одиночных свай [1,2]:

где:

Р- нагрузка на сваю, тс,

Is-коэффициент влияния осадки, зависящий от отношения l/d и от относительной жесткости сваи λ = Ер/Еsl, где Еsl-модуль деформации грунта на уровне подошвы сваи, т/м2, Ер - модуль упругости материала сваи, т/м2, d- диаметр или сторона квадратной сваи, м, l-длина сваи, м.

Коэффициент влияния осадки сваи Is определен по указаниям нормативов [2].

Сравнение модулей деформации грунтов, полученных при компрессионных испытаниях образцов грунтов, отобранных из разведочных скважин и определенных описанным выше методом показывает (Таблица 2), что модули деформации грунта, определенные по результатам статических испытаний свай являются наиболее высокими и, вероятно, наиболее достоверными при оценке осадок свайных фундаментов.

Расчет осадок фундаментов 4-й секции, усиленных буроинъекционными сваями выполнен, также, как и в предыдущем случае с применением МКЭ по программе PLAXIS версии 8.2. Сваи в расчетах задавались, как балки-стенки приведенной жесткости с использованием интерфейсов по их боковой поверхности для моделирования бокового трения.

К 4-й секции пристраивается очередная 5-я секция, которая запроектирована на буронабивных сваях диаметром 400 мм и глубиной 10м.

Расчеты осадок фундаментов, выполненные с использованием программы PLAXIS 4-й секции (усиленной буроинъекционными сваями) и 5-й секции ( возведенной на буронабивных сваях) выполнялись для двух разрезов:

• в поперечном направлении по оси 62, ряды А-Е (Рис.5),
• в продольном направлении по ряду Б/В для 4-й секции ( оси 59-70) и для вновь пристраиваемой секции 5 ( оси 71-76) (Рис.4).

При этом, модули деформации грунтов, находящихся под нижними концами буроинъекционных свай рассчитаны по описанной выше методике с использованием результатов их статических испытаний (Таблица 2). Расчеты осадок вновь пристраиваемой 5-й секции выполнены с учетом стадийности ее нагружения вслед за 4-й секцией. Результаты расчетов осадок фундаментов 4-й и 5-й секций, соответственно, усиленной буроинъекционными сваями, и возведенной на буронабивных сваях показали, что их максимальные осадки находятся в пределах допускаемых величин (Рис.4, 5 ) и составляют:

• для поперечного сечения по оси 62 -108.5мм,
• для продольного сечения по оси Б/В -41.46мм.

Расчетная максимальная относительная разность осадок фундаментов 4-й секции, усиленных буроинъекционными сваями фундаментов составляет 0.00163, то- же для 5-й секции – 0,00099 ( Таблица 3).

Необходимо отметить , что на стыке между 4-й и 5-й секциями абсолютная разность расчетных осадок может достигать 5-10 мм, на стыке между 3-й и 4-й секциями – 14мм, что для металлических конструкций корпуса вполне допустимо.

В настоящее время по приблизительной оценке фундаменты 4-й и 5-й секций нагружены 25% от полной нагрузки. Для сравнения расчетных и фактических осадок при действии нагрузки, не превышающей 25% от полной нагрузки был выполнен расчет осадок фундаментов по ряду Б/В (Рис.6), который показал максимальные осадки -28 мм.

Для контроля осадок 4-я и 5-я секции в 2005 г. были оборудованы наблюдательными геодезическими марками и начаты систематические наблюдения.

Сравнение расчетных осадок фундаментов, соответствующих 25% от полной нагрузки, с фактически наблюдаемыми с 2005 г. по 2008 г. величинами (рис.7) показывает их существенные различия, обусловленные вероятно тем, что наблюдения осадок начаты намного позднее приложения 25% от полной нагрузки, которое можно датировать примерно 1990-1991 г.г.

Дальнейшие геодезические наблюдения по мере нагружения корпусов позволят усовершенствовать методику определения исходных геотехнических характеристик грунтов для оценки осадок фундаментов, усиленных сваями.