Содержание к диссертации
Введение
РОЗДІЛ І. Обґрунтування напрямку досліджень
1.1 Підсилення слабкої основи методом цементації за бурозмішувальною технологією
1.2. Аналіз існуючих методів контролю за якістю основ
1.3. Пресіометричний метод при дослідженні стисливості ґрунтів
1.4. Методи інтерпретації результатів пресіометрії
1.5. Висновки за розділом. Задачі досліджень
РОЗДІЛ ІІ. Теоретичні основи методики оцінки напружено-деформованого стану системи «зонд пресіометра – навколишній грунт»
2.1. Програмний комплекс “Plaxis” для розв язання геотехнічних задач
2.2. Складання розрахункових схем
2.3. Підготовка вихідних даних
2.4. Розрахунковий експеримент
2.5. Висновки за розділом
РОЗДІЛ ІІІ. Обчислювальний експеримент пресіометричних випробовувань грунтових основ
3.1. Визначення залежності деформацій глинистого ґрунту природного складу від зміни параметрів зонду пресіометра
3.2. Відмінність результатів пресіометричних випробовувань, отриманих в глинистих і піщаних ґрунтах
3.3. Визначення впливу відстані між ґрунтоцементними елементами на результати пресіометричних випробовувань армованих ґрунтів
3.4. Оцінювання підсилених піщаних ґрунтів пресіометричним методом
3.5. Висновки за розділом
РОЗДІЛ ІV. Польові дослідження стисливості армованих основ пресіометричним методом
4.1. Комплект обладнання для проведення пресіометричних випробовувань
4.2. Інженерно-геологічні умови майданчиків проведення пресіометричних випробовувань
4.3. Інтерпретація результатів пресіометричних випробовувань природньої основи 109
4.4. Інтерпретація результатів пресіометричних випробовувань армованої основи 111
4.5. Співставлення результатів пресіометричних випробовувань з даними штампових і компресійних випробовувань 114
4.6. Висновки за розділом 118
РОЗДІЛ V. Впровадження пресіометричного методу оцінки стисливості армованих основ 120
5.1. Технічні умови проведення й інтерпретації пресіометричного контролю за якістю армованої основи 120
5.2. Приклади використання пресіометричного контролю за якістю армованої основи 128
5.3. Економічна ефективність пресіометричного методу 139
5.4. Висновки за розділом 143
Загальні висновки 145
Список використаних джерел
- Пресіометричний метод при дослідженні стисливості ґрунтів
- Складання розрахункових схем
- Відмінність результатів пресіометричних випробовувань, отриманих в глинистих і піщаних ґрунтах
- Інтерпретація результатів пресіометричних випробовувань природньої основи
Пресіометричний метод при дослідженні стисливості ґрунтів
Проте існують і декілька недоліків: - ґрунтоцемент, який виготовлений за бурозмішувальною технологією за глибиною ґрунтового масиву з метою влаштування пальових фундаментів, чи підвищення механічних властивостей основи шляхом її армування жорсткими елементами, має значну неоднорідність за довжиною конструкції. Ця неоднорідність пов язана з літологічною і петрографічною неоднорідністю ґрунтів, а також гідрогеологічними умовами ділянки будівництва. Ці особливості ґрунтоцементу, на відміну від інших конструктивних матеріалів, наприклад, бетону, залізобетону, металу, слід враховувати при проектуванні основ та фундаментів, у тому числі і при проведенні контролю за якістю виготовлення елементів армування ґрунту; - ґрунтоцемент має недостатню міцність (призмова міцність пр = 2-6 МПа), що не дає можливості використовувати його, як конструктивний матеріал при значних навантаженнях, особливо при горизонтальних навантаженнях; - існують труднощі, пов язані з армуванням ґрунтоцементу, тобто порівняно з бетоном ґрунтоцемент має менший зв язок з металевою арматурою;
Усі вище перелічені особливості ґрунтоцементу значно ускладнюють область його використання при влаштуванні пальових фундаментів. Тому необхідно проводити дослідження нових конструкцій паль з використанням ґрунтоцементу та зменшенням його негативних особливостей.
У сучасній практиці будівництва значне місце займають ґрунтоцементні основи і фундаменти. Відомі два основні методи влаштування ґрунтоцементних елементів – бурозмішувальний, коли розпушення і перемішування ґрунту виконуються спеціальними долотами і струминний, коли ці операції виконує струмінь рідини (цементної суспензії). Якість ґрунтоцементу в значній мірі залежить від старанності перемішування суміші. У цьому відношенні обидва методи приблизно рівноцінні. Відомі бурозмішувальні машини, в яких використовуються долота, елементи яких обертаються в протилежних напрямках. В результаті виготовлений за допомогою таких доліт ґрунтоцемент, при всіх інших рівних умов, має більш високі механічні характеристики. Ґрунтоцементних елементи використовуються в фундаментобудуванні у двох основних напрямках: - в якості бурових паль, виготовлення яких можливе без додаткових кріплень стінок свердловин в будь-яких слабких ґрунтах; - для посилення масиву слабких і нестійких ґрунтів шляхом підвищення їх механічних характеристик, що в практиці отримало назву «армування ґрунтів»; таким способом підсилюють слабкі глинисті ґрунти (частіше водонасичені лесові), а також пухкі піски; цим же способом зміцнюють зсувні схили [51-55, 70, 76]. На основі наведеного вище, слід вважати актуальним напрямком дослідження методів контролю якості ґрунтоцементних основ і фундаментів. Згідно існуючій нормативній базі, яка з невеликими відмінностями діє на території України, всі методи діагностики ґрунтоцементних основ і фундаментів можна розділити на три групи: I група - методи контролю за процесом виготовлення ґрунтоцементних елементів; II група - методи контролю за якістю виготовлених ґрунтоцементних елементів; III група - методи контролю за несучою здатністю ґрунтоцементних основ і фундаментів. При виготовленні ґрунтоцементних елементів різними способами реєструється певна кількість технологічних параметрів, на підставі яких фахівець оцінює і регулює хід технологічного процесу [113]. До цих параметрів відносяться: прив язка місця пристрою елементів відповідно до робочих креслень; визначення глибини проходки свердловини, швидкості занурення снаряда в ґрунт, поданого об єму цементного розчину, кількості циклів перемішування плинних ґрунтоцементних сумішей; при необхідності встановлюються параметри занурення в текучий ґрунтоцемент сталевої арматури [32-34]. Якість виготовлених ґрунтоцементних елементів визначають за допомогою таких методів: шляхом буріння стовбура елемента колонковим буром з відбором керна для лабораторних досліджень, з використанням гамма і ультразвукового каротажу, а також акустичного методу [83-86, 94, 107]. Колонкове буріння проводиться по всій довжині елемента з безперервним відбором керна (рис1.4). За даними аналізу керна встановлюють наявність сторонніх включень або порожнин, а також тріщинуватість матеріалу. Однак цей метод не досить точний внаслідок великої різниці в розмірах діаметрів елемента і керна, буровий інструмент може минути дефект. До того ж буріння керна трудомісткий процес і вимагає значних витрат. Таким способом важко набрати достатню кількість визначень, тому метод використовується тільки у виняткових випадках.
Складання розрахункових схем
Методика В.В. Лушникова з визначення механічних характеристик ґрунту за пресіометричними дослідженнями [56, 65]. При обробці результатів будують графік «тиск на ґрунт/? - зміна діаметру свердловини Ad» і обчислюють значення модуля деформації Е і характеристик міцності с і . Графік Ad =f(p) будують по значеннях р і Ad, що відповідає стану умовної стабілізації деформацій (рис. 1.16). Значення/? обчислюють з урахуванням втрат тиску на розширення оболонки і тиску стовпа рідини у свердловині за формулою: p=pM-pm- 0,lywhe, (1.9) де рм - тиск, реєстрований по манометру, МПа; pт - тиск, що витрачається на розтягування оболонки до діаметру, тиску, що відповідає цьому ступеню, МПа (визначається по тарованому графіку).
Значення Ad, см, визначають як різницю діаметру свердловини при цьому ступені тиску р і початкового діаметру d0 при тиску р0. Рекомендований масштаб графіку: для/? = 0.1 МПа - 40 мм, для Ad = 1 мм - 10-20 мм. Величину модуля деформації (МПа) обчислюють за формулою: E=KdfJAp/Ad (1.10) де do - діаметр свердловини, що відповідає початку лінійної ділянки залежності Ad = f (p), см; Ар - приріст тиску між двома точками графіку, узятого на усереднюючий прямій, МПа; Ad - приріст діаметру свердловини відповідне Ар, см; K - коригуючий коефіцієнт. Кінцевим значенням рк і AdK відповідає досягнення межі пропорціональності. За початкові значення р0 і Ado при визначенні Ар і Ad набувають значень, що відповідають моменту повного обтискання нерівностей стінок свердловини. Рис. 1.16 - До обробки результатів пресіометричного випробувань: 1 - графік Ad = f (p) при навантаженні; 2 те ж, при розвантаженні: 3 - круги Мора; 4 - графік зрушення = f (p). За межу пропорціональності рк береться тиск, що відповідає різкій зміні нахилу залежності Ad= f (р), а при його відсутності - тиск, подальше збільшення якого на один ступінь викликає зміну приросту діаметру в 2 рази або приріст Ad, що більше перевищує, від попереднього ступеня. Загальний підхід до визначення рк можна зберегти таким же, як це рекомендовано для штампових випробувань. Якщо межа пропорціональності при випробуванні не досягнута, оцінка стисливості проводиться по чотирьох точках, включаючи початкову (ро, Ado). Величина коефіцієнта, що коригує, К визначається, як правило за результатами паралельних випробувань цього різновиду ґрунту штампом. (ДСТУ Б В.2.1-7-2000 (ГОСТ 20276-99). Ґрунти. Методи польового визначення характеристик міцності і деформування) [28]. При цьому значення K розраховується по формулі: K =EAd/dfJAp (1.11) де Е - значення модуля деформації, отримане при випробуванні штампом; do, Ар, Ad - параметри пресіометричного досліду, проведеного паралельно з штампом.
Значення К, усереднене за результатами трьох паралельних випробувань, приймається при обробці результатів інших пресіометричних випробувань в межах виділеного шару ґрунту. Якщо відхилення значень К за результатами двох випробувань штампом і пресіометром відрізняється від середнього не більше ніж на 25%, допускається обмежитися двома паралельними випробуваннями.
Для проектування основ і фундаментів II-IV класів, а також для проектування пальових фундаментів величину коефіцієнта К при повільному режимі випробувань піщаних і глинистих ґрунтів пресіометром допускається приймати по табл. 1.3 або розраховувати по формулі
Відмінність результатів пресіометричних випробовувань, отриманих в глинистих і піщаних ґрунтах
Як вже було встановлено у розділі ІІ зонд пресіометра відчуває перепону, яка знаходиться у межах, горизонтально орієнтованій, стисливій товщі. При цьому опір стисненню ґрунту збільшується. Модуль деформації такої основи буде вищим, ніж подібної, але без перепони. У даному випадку такою перепоною слугують ґрунтоцементні елементи армування основи. При цьому виникає необхідність використання зонду пресіометра з достатніми розмірами стисливої товщі.
Для круглих і квадратних штампів численними дослідженнями встановлено, що глибина їх стисливої товщі дорівнює двом їх діаметрів [39-41, 81, 82]. Для пресіометричних випробовувань такі дані невідомі, їх необхідно встановлювати експериментально. Проведення таких експериментальних досліджень потребує виготовлення додаткового обладнання, достатньої кількості випробовувань у польових умовах. Слід також зважати на той факт, що розміри зонду з однієї сторони обмежуються розмірами свердловини, а з іншої – потужністю навантажувальної системи пресіометра. Як вже було сказано вище поставлене завдання слід вирішувати шляхом проведення обчислювального експерименту. На першому етапі слід дослідити поставлене питання у не армованому (природному) ґрунті для кількох висот зонду пресіометра при постійному його діаметрі.
Для вирішення поставленого завдання використаємо програмний комплекс PLAXIS 3D Foundation.
Розрахункову схему обчислювального експерименту зображено на рис. 3.1, а вихідні данні для розрахунку прийняті за табл. 2.1 розділу ІІ. а б
Розрахункова схема до досліджень впливу висоти зонда пресіометра на результати випробовувань природного ґрунту: а – зонд пресіометра висотою від 339 мм до 1150 мм при діаметрі 108 мм; б – схема розміщення зонда пресіометра в масиві: 1 – водомірний вузол; 2 – пресіометрична свердловина; 3 – зонд пресіометра На рис. 3.2 у вигляді тестової задачі наведені результати обчислювального експерименту пресіометричних випробовувань для встановлення залежностей горизонтальної деформації ґрунту u, см, у природній основі (до її армування ГЦЕ) при постійному діаметрі зонду 10.8 см, і змінних висоти циліндричного зонду h, см, відповідно, площі А, см2, і тиску за його поверхнею , МПа.
В результаті отримано рівняння двохфакторного аналізу залежності деформацій u, см, від напружень при співвідношенні k для природного ґрунту: u = 0.56395 k + 13.4658 – 2.9132, см, (3.1) де u – горизонтальна деформація ґрунту внаслідок тиску за поверхнею зонду пресіометра, см; b = 33,9, см – довжина кола зонду пресіометра; h – висота зонду пресіометра, змінюється у межах 33,9-115 см; k = h/b – співвідношення сторін розвернутої поверхні зонду пресіометра, змінюється у межах 1-3,33; 1 – тиск на ґрунт за поверхнею зонду пресіометра, змінюється у межах 0-0,5 МПа; а безрозмірний коефіцієнт п — Он 5 о - .& Si ex It Ё n О 5 / / / // / / / 3if / _, z II == p- 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Напруження на поверхні оболонки зонду , МПа 0.6 Рис. 3.2 - Графіки залежності деформацій в природньому ґрунті від напружень при співвідношенні k = h/ b, де b = 33.9 см, а h висота зонду пресіометра змінна: 1 - 1; 2 - 1,25; 3 - 1,43; 4 - 2; 5 - 2,5; 6 - 3,33 З рівняння (3.1) видно, що збільшенням тиску на ґрунт, , що входить до складу рівняння, збільшується горизонтальна деформація ґрунту, u, і навпаки. Теж саме можна сказати про величину коефіцієнта k. Слід також відмітити, що чим більше величина коефіцієнта регресії, тим значніше вплив змінних на загальне рівняння. В даному випадку величина коефіцієнта регресії, x2 при більше, ніж величина коефіцієнта, x1 при k, отже, тиск обтиснення, що входить до складу рівняння (3.1), має значно більший вплив ніж співвідношення сторін площі зонду [4, 19 50].
Коефіцієнт детермінації з рівняння (3.1) R2 = 0.87; відповідно коефіцієнт кореляції r = 0,93, тобто встановлена залежність близька до функціональної. Розрахункове значення критерій Фішера Fр = 148,94. Величина критичного значення Fкрит визначається за статистичними таблицями і для рівня значущості = 0,05 дорівнює Fкрит = 3,2. Оскільки Fp Fкрит, то нульова гіпотеза відкидається, і одержане рівняння регресії приймається статистично значущим. Гіпотеза про адекватність моделі підтвердилася.
Оцінка статистичної значущості коефіцієнтів регресії x1 і x2 по t-критерію Стьюдента зводиться до зіставлення чисельного значення цих коефіцієнтів з величиною їх випадкових помилок mb1 і mb2 . В результаті розрахунку отримали, що tр = 2,69. Оскільки критичне значення t-статистики, визначене за статистичними таблицями для рівня значущості = 0,05, більше по абсолютній величині, ніж tk = 4,49; t = 16,66 і t0 = 8,41, то нульова гіпотеза відкидається і рівняння регресії є статистично значущим [18, 63].
Як свідчить рис. 3.2, обчислювальним експериментом встановлені залежності горизонтальної деформації ґрунту від відношення розмірів пресіометричного зонду, тобто співвідношення сторін його розвернутої поверхні й тиску на ґрунт. Результат можливо сформулювати таким чином: - при тиску на ґрунт до 0,1 МПа величина горизонтальної деформації ґрунту практично не залежить ні від розмірів зонду, ні від співвідношення сторін його розвернутої поверхні; зі збільшенням тиску на ґрунт горизонтальна деформація ґрунту починає суттєво збільшуватися зі збільшенням розмірів зонду; - вказане збільшення деформації ґрунту свідчить про формування стисливої товщі ґрунту навкруги зонду пресіометра, глибина якої залежить від величини тиску на ґрунт, розмірів зонду і співвідношенні його сторін; тобто, при постійному значенню тиску, , найбільша стисла товща ґрунту у зонда з відношенням сторін його поверхні k = 3,33; це положення підтверджується найбільшим значенням горизонтальної деформації u = 8,15 см, у той час у зонда з квадратною поверхнею u = 3,6 см; звичайно, на величину горизонтальної деформації накладається ще і збільшення площі поверхні зонду;
- встановлені закономірності відповідають загальним уявленням про деформування ґрунтів під квадратними і прямокутними жорсткими штампами [61, 92-93]; - при всіх інших рівних умовах, щоб підвищити чутливість зонду пресіометра, необхідно збільшувати співвідношення його сторін k; саме такі зонди необхідно використовувати при оцінюванні стисливості основ, армованих вертикальними жорсткими елементами.
Інтерпретація результатів пресіометричних випробовувань природньої основи
Дослід починається з того, що у заданих межах ділянки відповідно до технічного завдання влаштовують свердловину діаметром 110 мм. Проходження свердловин для проведення пресіометричних випробувань може бути здійснено як механічним, так і ручним способами. Основна вимога до застосованого способу буріння полягає в тому, щоб він забезпечував максимальне збереження природної структури і вологості ґрунту в стінках свердловини. При бурінні маловологих глинистих порід підливати воду в свердловину не рекомендується, так як навіть незначна кількість води може викликати насичення ґрунту в стінках свердловини і підвищення його липкості. Остання обставина ускладнює вилучення пресіометра зі свердловини після випробувань. Значна кількість води, підлита у свердловину в процесі буріння, може призвести до різкої зміни властивостей досліджуваних глинистих порід, особливо якщо в їх складі міститься монтморилоніт. Буріння свердловин у водонасичених глинистих ґрунтах допускається проводити з глинистим розчином, що забезпечує стійкість стінок свердловини без обсадних труб.
Дослід починається з встановлення приладу в свердловину на задану глибину та збирання приладу. В свердловину на проектну глибину по жорсткому трубопроводу опускають зонд пресіометра. На поверхні до трубопроводу під єднують водомірний вузол, а трубопровід закріплюють за допомогою фіксуючої вилки. Зонд, жорсткий трубопровід та водомірний вузол наповнюють водою, приєднують манометри до бака з рідиною і балон із стисненим газом (азотом). Прилад встановлює ступеневе зростання тиску в водомірному вузлі, який передає напруження на стінки свердловини через оболонку зонду. Величина першого ступеня навантаження залежить від консистенції глинистих порід, чи щільності піщаних порід чи торфів (глинисті породи від 0,025 до 0,2 МПа). Кожну ступінь навантаження витримують у часі до умовної стабілізації деформацій відповідно до ДСТУ Б В.2.1-7-2000 [28]. Передбачається, що стабілізація деформацій на даній ступені навантажування настає в тому випадку, якщо прирощення діаметра свердловини, рівне ціні поділки приладу, відбувається: для великоуламкових і піщаних ґрунтів за 6 хв; для глинистих ґрунтів за 30 хв.
Для виявлення характеру деформаційної поведінки ґрунту в часі при постійному навантаженні після створення кожного ступеня навантаження по приладах проводять повторні вимірювання величини деформацій. Інтервали часу між повторними вимірами деформацій складають: при випробуваннях великоблокових та піщаних ґрунтів 5 хв; при випробуваннях глинистих ґрунтів 10 хв.
Дослід вважають закінченим, якщо деформація від попереднього ступеня навантаження в два (або більше) рази менше, ніж деформація від наступної ступені навантаження. Якщо в процесі випробувань будувати графік в координатах «тиск – прирощення діаметра зонду», то момент закінчення випробувань може бути відзначений за кривизною цього графіка, оскільки остання гілка пресіометричної кривої стає майже паралельної графіку при вільному розширенні камери пресіометра.
На чотирьох дослідних майданчиках було проведено польові дослідження ґрунтів пресіометром. На кожній ділянці було проведено інженерно-геологічну розвідку, пресіометричні дослідження «до» та «після» армування основи ґрунтоцементними елементами та штампові випробування підсиленої основи. Кожне з досліджень проводилося з шестикратною повторюваністю для більш точного та достовірного отримання результатів.
Дослідний майданчик №1 – 9-ти поверховий житловий будинок у м. Полтава; Будівельний майданчик розташований на ділянці зі щільною забудовою. Полтавське лесове плато; ґрунт – суглинок лесований, м якопластичний.
У геоморфологічному відношенні ділянка приурочена до заплавної терасі р. Ворскла. Рельєф ділянки спокійний, з ухилом у північно-східному напрямку, місцевість, в межах ділянки вишукувань раніше була заболочена. В окремі роки, при високому паводку р. Ворскла ділянку підтоплювався. Пізніше була зроблений засипка території, після чого вона була віддана під забудову.
Геологічна будова і гідрогеологічні умови ділянки ілюструються інженерно-геологічних розрізом на рис. 4.3. У розрізі виділено 7 інженерно-98 геологічних елементів, в межах яких товща є статистично однорідної за складом і властивостями. На ділянці забудови буровими свердловинами визначений один безнапірний водоносний горизонт, рівень якого у березні 2013 року зафіксовані на глибині 1,0 - 1,6 м, від поверхні землі на абсолютних позначках 82,30 - 82,60 м. Ґрунтові води до бетону і арматури неагресивна.