Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

Вариант 1 соответствует случаю возведения фундаментов на техногенных песчаных грунтах рыхлого сложения. В данном варианте расчета для всего слоя глинистых грунтов основания принято минимальное значение модуля деформации 4 МПа. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Приведенные результаты показывают, что в этом случае для всех зданий осадки превосходят допустимые, которые согласно требованиям СНиП 2.02.01–83* должны не превышать 8 см.

По варианту 2 возведение зданий ведется на плотных песках (после их вибродинамического уплотнения).

Приведенные в табл. 2 результаты показывают, что для 10-ти и 12-ти этажных зданий осадки находятся в пределах допустимых. Допустимая осадка для этого случая согласно СНиП 2.02.01–83* не должна превышать 15 см. Осадка же 18-ти этажных зданий превосходят допустимую при строительстве даже на плотных намывных песчаных грунтах при слабых глинистых грунтах подстилаемого основания.

Поэтому по варианту 3 была выполнена расчетная оценка эффективности мероприятия по инженерной подготовке, заключающаяся в первоначальном дополнительном намыве песчаного основания до абсолютной отметки +47,0 м с последующим снятием этого слоя мощностью 5 м до абсолютной проектной отметки +42,0 м. В этом случае, главным образом глинистые грунты основания будут предварительно уплотнены весом слоя вышележащего намывного слоя песчаного грунта мощностью слоя 5 м.

При этом предполагается, что деформации глинистых грунтов основания от мягкопластичной до текучей консистенции будут описываться повышенным модулем деформации. Ввиду отсутствия экспериментальных данных по увеличению модуля деформации конкретных глинистых грунтов, модуль их деформации может быть ориентировочно принят равным от 2 до 2,5 Е.

Данные расчетов, приведенных в табл. 2 показывают, что рассмотренное мероприятие позволяет снизить осадки зданий на 3–5 см. Однако и в этом случае, для 18-ти этажных зданий осадки превосходят допустимые и оцениваются величиной 21,0 см при устройстве фундаментов на рыхлых намывных песках.

На основании вышеизложенного был предложен вариант 4, устанавливающий замену слабых глинистых грунтов основания на песчаные грунты с их последующим уплотнением до плотного сложения. Это приведет к снижению осадки от собственного веса наиболее тяжелых 18-ти этажных зданий до величины 10,3 см, что значительно меньше допустимых максимальных значений осадки грунта согласно СНиП 2.02.0–-83* и практически решает все задачи проектной организации по возведению всех зданий на данной намывной территории.

Для рассматриваемого массива намытого грунта основания производилась также оценка времени консолидации глинистых грунтов основания под воздействием нагрузки от намытого на него слоя техногенных песчаных грунтов. При этом срок начала возведения фундаментов зданий должен быть не

191

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

ранее, чем будет практически завершен процесс первичной консолидации указанных грунтов.

Определение времени консолидации грунта производилось в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02–85* [2].

По данным расчетов фильтрационная (первичная) консолидация в глинистых грунтах основания для принятой в расчетах степени консолидации 80–90 % завершится через 3-4 года после намыва техногенных песчаных грунтов основания.

При завершении процесса фильтрационной консолидации в глинистых грунтах основания будут развиваться дополнительные деформации ползучести в течении довольно длительного времени эксплуатации застраиваемой территории, которые однако могут составлять не более 10–15 % от стабилизированной осадки.

При устройстве оснований зданий и сооружений, в особенности в сейсмоопасных районах, является обязательной оценка динамической устойчивости структуры песчаных грунтов оснований с разработкой рекомендаций по их уплотнению.

Основной характеристикой грунтов песчаных оснований, определяющих динамическую устойчивость их структуры и возможность разжижения, является относительная плотность грунтов основания ID, комплексно учитывающая как его гранулометрический состав, так и форму частиц грунта основания.

Относительная плотность ID песков основания определяется по зависимости:

где еmax и еmin – коэффициенты пористости грунта соответственно в максимально рыхлом и плотном сложении, е – коэффициент пористости исследуемого песчаного грунта.

При отсутствии лабораторных исследований по предельным состояниям конкретного песчаного грунта в рыхлом и плотном сложении величина ID может быть ориентировочно определена по гранулометрическому составу.

Согласно [3] коэффициенты пористости предельно рыхлого еmax и предельно плотного еmin состояния при известном гранулометрическом составе могут быть определены по зависимостям:

где η – коэффициент неоднородности песка. Данный коэффициент для рассматриваемого песка равен 2,14, что соответственно дает значение еmax = 0,79

и еmin = 0,44.

По данным полевых определений плотности песков значение ρd = = 1,51 г/см3./ Следовательно е = 0,76 при ρs = 2,7 г/см3, а его относительная плотность ID = 0,1 ( dmin =1,48 г/см3 и dmax = 1,84 г/ см3), что соответствует очень

192

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

малой относительной плотности сложения песка и высокой вероятности его перехода в разжиженное состояние.

Существуют различные подходы [4-6 и др.] к оценке величины относительной плотности, необходимой для обеспечения динамической устойчивости песчаных грунтов оснований. В первом приближении (без проведения виброкомпрессионных испытаний грунтов исследуемого основания на заданную динамическую нагрузку)данная оценка должна основываться на результатах исследований [4], которые регламентируют величину относительной плотности грунтов песчаного основания на границе ID ≥0,6.

В обратном случае максимальные осадки S поверхности грунтов песчаного основания в результате его разжижения могут достигать величин, определяемых по выражению:

где hУПЛ – мощность намывного слоя рыхлого песка основания, ен , ек – соответственно, начальный и конечный коэффициенты пористости песчаного грунта основания.

Проведенные расчеты по (4) показывают, что при полном разжижении намывного песка мощностью слоя 13 м осадки поверхности исследуемого основания могут составить 1,33 м.

Для обеспечения надежной работы системы «сооружение – основание» техногенные песчаные грунты основания должны быть уплотнены эффективными способами вибродинамического уплотнения. Выбор методов вибродинамического уплотнения песчаных грунтов оснований и их осуществление может быть произведено по разработкам автора статьи и рекомендациям, изложенным в работе [7].

Выводы и рекомендации

1.Принятый порядок подготовки застраиваемой территории на слабых глинистых грунтах естественного основания является достаточно типовым

ипоэтому предложения, изложенные в этой работе, проведенные расчеты работы системы «основание – сооружение» носят общий характер.

2.Результаты расчетов осадок многоэтажных зданий различной этажности (10, 12 и 18 этажей) с удельнымдавлением по подошве фундаментов 0,18–0,3 МПа, возводимых на намывных песчаных грунтах основания на слой слабых глинистых грунтов мощностью 4–10 м, подстилаемый прочными коренными породами, выполненных для четырех расчетных схем моделей грунтов основания, показали, что комплекс предложенных мероприятий по уплотнению намываемых песков, консолидации глинистых грунтов основания, в том числе с устройством временной дополнительной пригрузки основания слоем намывного песка, замене слабых глинистых грунтов основания на намывные пески с их последующим уплотнением позволяет снизить величины ожидаемых осадок

193

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

до допустимых значений, регламентируемых СНиП 2.02.01–83 «Основания зданий и сооружений».

3.Для уменьшения осадок и кренов зданий (и сооружений) от собственного веса и обеспечения динамической устойчивости структуры намывных песчаных грунтов при сейсмодинамических нагрузках необходимо, прежде всего, предусмотреть их уплотнение до плотного сложения (при заданном значении степени относительной плотности ID , в большинстве случаев близком

кID ≥ 0,6). Это позволяет уменьшить осадки фундаментов, устраиваемых на подготавливаемом основании за счет сокращения в 2 раза величины осадки в пределах намывного слоя песка и практически исключить вероятность их перехода разжиженное состояние.

4.Замена глинистых грунтов основания текучепластичной и текучей консистенции на намывные пески с их последующим уплотнением позволяет уменьшить на порядок величину осадки фундаментов в пределах данного слоя грунтов основания.

Кроме того, в этом случае не будет необходимости в соблюдении строгой последовательности при подготовке основания, предусматривающей значительный разрыв во времени между окончанием намыва слоя песка на соответствующей территории и началом устройства на ней зданий и сооружений, а также значительно уменьшится время развития осадки зданий от собственного веса путем исключения длительных деформации ползучести глинистых грунтов основания.

Литература

1.СНиП 2.02.01-83.* Основания зданий исооружений. – М.: Стройиздат, 1985. – 62 с.

2.СНиП 2.02. 02-85.* Основания гидротехнических сооружений. – М.: Стройиздат,

2004.

3.Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергическом строительстве / ВНИИГ. – Л., 1991. – 435 с.

4.Иванов П.Л. Уплотнение несвязных грунтов взрывами/ П.Л. Иванов. – М.: Недра, 1983. – 230 с.

5.Рекомендации по оценке устойчивости гидротехнических сооружений из грунтовых материалов при сейсмовзрывных и эксплуатационных динамических воздействиях/

ВНИИГ. – Л., 1986 – 44 с.

6.Ставницер Л.Р. Сейсмостойкость оснований и фундаментов/ Л.Р.Ставницер – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. – 448 с.

7.Минаев О.П. Выбор метода и основных параметров вибродинамического глубинного уплотнения песчаных грунтов оснований/ О.П.Минаев// Вестник гражданских ин-

женеров. – 2013. – № 5 (40). – С. 108-115.

194

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

УДК 624.131

В.М. Улицкий, Е.В. Городнова, М.А. Шашкин (ПГУПС, Санкт-Петербург),

Z. Sikora, M. Wyroślak (GUT, Gdansk, Poland)

УСИЛЕНИЕ СЛАБЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Введение

Вопрос усиления грунтов оснований имеет особую значимость в дорожном строительстве, поскольку стабильное земляное полотно является одним из основных гарантов безопасности движения транспортных средств, а также долговечности и сохранности дорожной одежды или верхнего строения железнодорожного пути. На сегодняшний день существует ряд технологий, позволяющих выполнить стабилизацию слабых грунтов оснований. Сопоставление результатов уплотнения оснований дорожных сооружений, при использовании различных технологий, показали, что одним из наиболее эффективных методов увеличения несущей способности слабых грунтов является их уплотнение микровзрывами (microblasting). Технология позволяет стабилизировать водонасыщенные несвязные грунты (пески, плывуны, каменные наносы), а также основания, сложенные органическими грунтами, такие как торфы, илы, сапропели.

Впервые технология нашла применение в СССР при строительстве Волжской и Горьковской ГЭС в 1951–1953 годах. На этих объектах поверхностными и глубинными способами успешно уплотнено более 150 тыс. м3 песчаных грунтов, намытых под водой. В дальнейшем технология успешно применялась на различных объектах, в том числе расположенных на территории Ленинградской области [1]. В 1987–1988 годах уплотнение грунтов взрывами применено при строительстве комплекса защитных сооружений Ленинграда от наводнений. Несмотря на изучение данного вопроса Российскими ученными и успешный опыт применения взрывной технологии, широкого развития в России метод глубинного уплотнения грунтов взрывами до сих пор не получил. В настоящее время применение технологии микровзрывов в России стало возможным в сотрудничестве с иностранными специалистами. Метод микровзрывов внедрен и успешно развивается в Восточной Европе. При поддержке Гданьского морского института и кафедры «Геотехники» Гданьского политехнического университета удалось запроектировать и успешно реализовать ряд социально значимых объектов транспортной инфраструктуры Польши [2].

Технология микровзрывов

Результатом усиления несвязных грунтов взрывами является увеличение плотности сложения основания. Взрыв вызывает приращение давления воды

195

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

впорах грунта. После временного разжижения разрыхленного материала наступает быстрое рассеивание этого давления, а частицы грунта укладываются

вболее плотную конфигурацию. Несколько иначе работает технология при усилении водонасыщенных связных и органических грунтов. Целью использования микровзрывов в этом случае является значительное ускорение консолидации грунта путем формирования песчаных колонн, выполняющих роль дрен

(рис. 1).

Рис. 1. Последовательность уплотнения связных и органических грунтов микровзрывами

Технология микровзрывов состоит из несколько этапов. Создается геодезическая сеть для размещения скважин по сетке с заданным шагом. Шаг скважин принимается равным двум радиусам эффективного действия заряда при уплотнении несвязных грунтов, либо шагу свай-дрен при стабилизации несвязных оснований. Бурение скважин с необсаженным стволом производиться до проектной отметки, с учётом заглубления в слой прочного грунта на 0,5–1,0 м. В пробуренную скважину погружают упакованный заряд или группу зарядов. После выполнения проектной захватки состоящей из определенного числа скважин производят поочерёдное или групповое взрывание зарядов. Взрыв вызывает разжижение и уплотнение несвязного грунта, либо позволяет в связных и органических грунтах создать песчаную сваю-дрену, с последующим уплотнением грунта вокруг неё.

В водонасыщенных рыхлых несвязных грунтах взрыв вызывает быстрое увеличение порового давления и разрушение их естественной структуры. При производстве работ над скважинами заранее отсыпается дополнительный слой несвязного грунта, который под действием взрыва разжижается, заполняет образованную в результате взрыва воронку, формируя тем самым песчаную колонну. Полученные колонны, как правило, имеют диаметр 0,6–2,0 м, зависящий от используемой массы зарядов.

196

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

Энергия взрыва 1 кг материала (аммонит) эквивалентна энергии удара трамбовки весом 10т, при свободном падении ее с высоты около 100 м.

Применение технологии микровзрывов в дорожном строительстве

При строительстве Нового выхода на МКАД с федеральной автомобильной дороги М-1 «Беларусь» Москва – Минск» г. Одинцово Московской области было предложено в качестве стабилизации основания 9-ти метровой дорожной насыпи произвести усиление грунтового основания по технологии микровзрывов [3]. Зона усиления грунтового основания характеризовалась сложными инженерно-геологическими условиями. На основе анализа лабораторных исследований образцов грунта и статического зондирования в инже- нерно-геологическом разрезе было выделено более пятидесяти инженерногеологических элементов (ИГЭ), из которых девять были выбраны специалистами для расчетов консолидации рассматриваемого разреза основания дорожной насыпи (табл. 1).

Таблица 1

Расчетные характеристики грунтов в зоне транспортной развязки

197

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рассматриваемый участок уплотнения грунтового основания был разделен на пикеты. На протяжении 300 м проектом предусматривалось проведение буровзрывных работ по сетке 5×5 м с общим количеством скважин – 973 шт., фрагмент разреза представлен на рис. 2. Глубина бурения камуфлетных скважин под удлиненные заряды в зоне усиления варьировалась от 13 до 37 м.

Рис. 2. Продольный разрез зоны уплотнения (фрагмент), г. Одинцово, МО

Проектом предусматривалось создание опытной площадки размером 20×65 м с пятьюдесятью пятью камуфлетными скважинами необходимыми для определения оптимальных параметров взрывных работ, таких как масса заряда взрывчатого вещества и замедление детонации.

Проект производства работ по усилению грунтового основания методом микровзрывов прошел все необходимые согласования и был утвержден Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору.

К сожалению, данный проект не удалось реализовать, однако полученный опыт работ позволил предложить использование технологии микровзрывов на таких объектах как строительство скоростных авто и железных дорог Москва – Санкт-Петербург.

Объединение технологий микровзрывов (MB) и динамического обмена (DR) грунта (гибридная технология MB+DR)

Накопленный опыт дорожного строительства в Польше позволил увеличить эффективность работ по уплотнению слабых грунтов при объединении технологии микровзрывов и динамического обмена. Так при строительстве кольцевой автодороги в городе Барчево (Польша) в результате дополнительных изысканий были обнаружены, не выявленные до начала работ мощные толщи слабых органических грунтов (торфы, сапропели), достигающих глуби-

ны 13,5 м (рис. 3).

198

Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…

Рис. 3. Продольный разрез основания автодороги DK-16 Ольштын-Барчево

Сложные инженерно-геологические условия, затрудненное финансирование, в сочетании с коротким сроком, отведенным на выполнение работ, способствовало выбору технологии микровзрывов. Этот метод имел дополнительное преимущество – возможность размещения зарядов на любую установленную глубину.

На рис. 4 представлен проект уплотнения по гибридной технологии (MB+DR) для инженерно-геологических условий, представленных на рис. 3

Рис. 4. Продольный разрез с размещением скважин MB+DR (M 1:50/500) 199

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

С целью ускорения процесса консолидации для уплотнения поверхностных слоев грунта дополнительно использовался метод динамического обмена грунта. Тяжёлая трамбовка сбрасывалась с высоты 12 метров (рис. 5). Применение бочкообразного по форме груза, весом от 8 до 12 тонн, позволило сформировать сваи 1,6–2,2 метра в диаметре (рис. 6). Данная форма трамбовки обеспечивает не только устройство хорошо уплотнённой и большой в диаметре колонны, но и увеличение несущей способности естественного грунта основания между ними.

Рис. 5. Динамический обмен, сбрасывание трамбовки

(фото: Polbud-Pomorze, Польша)

Рис. 6. Динамический обмен, сечение колонны

(фото: Polbud-Pomorze, Польша)

200