Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Принципы проектирования и строительства зданий и сооружений на водонасыщенных лессовых грунтах 17
1.1 Основные физико-механические и прочностные свойства
слабых водонасыщенных лессовых грунтов 17
1.1.1 Понятие о слабых водонасьпценных лессовых грунтах 18
1.1.2 Изменение свойств лессовых грунтов при обводнении 23
1.2 Опыт промышленного и гражданского строительства на слабых водонасыщенных лессовых грунтах 28
1.2.1 Фундаменты на естественных основаниях 28
1.2.2 Фундаменты на искусственных основаниях 36
1.2.3 Свайные фундаменты в условиях водонасыщенных лессовых грунтов 49
1.2.4 Фундаменты на основаниях, уплотненных вертикальными песчаными дренами и пригрузом территории 51
1.3 Особенности промышленного и гражданского строительства на слабых водонасыщенных лессовых грунтах Таджикистана 51
Выводы по главе 54
Глава 2 Инженерно-геологические особенности территорий Таджикистана при их обводнении и подтоплении 56
2.1 Образование и распространение водонасыщенных лессовых грунтов на территории республики 56
2.2 Изменение уровня подземных вод и обводнение отдельных территорий. Анализ опыта проведения инженерно-геологических изысканий на территориях, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами 67
2.3 Экспериментальное изучение влияния обводнения на
изменение физико-механических свойств лессовых грунтов 80
Выводы по главе 91
Глава 3 Особенности проектирования и устройства фундаментов на водонасыщенных грунтах, образованных обводнением лессов 93
3.1 Основные типы грунтовых оснований с учетом залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов 93
3.2 Основные виды искусственных оснований и возможные конструктивные решения фундаментов, при различных типах залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов 95
3.2.1 Виды оснований и фундаментов при использовании слабых грунтов 95
3.2.2 Виды оснований и фундаментов при использовании неоднородных грунтов 98
3.3 Экспериментальные исследования работы грунтовых оснований, сложенных слабыми водонасыщенными и неоднородными слоями грунтов 100
3.3.1 Методика проведения натурных испытаний 101
3.3.2 Анализ результатов полевых испытаний грунтовых оснований 103
3.4 Расчет осадок фундаментов мелкого заложения на неоднородных основаниях, подстилаемых сильносжимаемыми грунтами 111
3.4.1 Сопоставительные расчеты осадок фундаментов на неоднородных основаниях 111
3.4.2 Оценка влияния величины сжимаемой зоны и изменения модуля общей деформации грунтов основания на конечные значения осадок 113
3.4.3 Предлагаемые методы расчета осадок фундаментов на неоднородных естественных основаниях, аналитическим и численным методами 117
3.5 Рекомендуемые типы фундаментов мелкого заложения на различных типах неоднородных оснований. Особенности их проектирования и расчета 124
Выводы по главе 132
Глава 4 Особенности проектирования и устройства фундаментов на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек 136
4.1 Общие положения и состояние вопроса 136
4.2 Исследование технологии устройства высокоуплотненных грунтовых подушек на слабых водонасыщенных и неоднородных основаниях 140
4.3 Исследование особенностей работы искусственных оснований на слабых водонасыщенных лессовых грунтах, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, при статическом нагружении 146
4.3.1 Методика проведения крупномасштабных полевых экспериментов 146
4.3.2 Результаты и анализ крупномасштабных полевых экспериментов 148
4.4 Расчет осадок фундаментов на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек аналитическими и численными методами 157
4.5 Рекомендации по проектированию и устройству искусственных оснований 161
Выводы по главе 168
Глава 5 Методы глубинного улучшения оснований, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами 169
5.1 Экспериментальные исследования по отработке технологии устройства и изучению работы самоформирующихся набивных свай... 169
з 5.1.1 Общие положения 169
5.1.2 Полевые исследования по отработке технологии устройства самоформирующихся набивных свай 171
5.1.3 Результаты полевых испытаний самоформирующихся набивных свай статическими нагрузками 175
5.2 Экспериментальные исследования закономерностей уплотнения слабых водонасыщенных лессовых грунтов песчаными дренами 17В
5.2.1 Общие положения 178
5.2.2 Методика проведения полевых исследований 180
5.2.3 Результаты полевых исследований по уплотнению
водонасыщенных лессовых грунтов песчаными дренами 183
5.2.4 Расчет консолидации толщи слабых водонасыщенных
лессовых грунтов при устройстве песчаных дрен 186
Выводы по главе 192
Глава 6 Влияние сейсмических воздействий на работу естественных и искусственных оснований, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами, образованными обводнением лессов 194
6.1 Общие положения и состояние вопроса 194
6.2 Методика проведения и результаты лабораторных испытаний слабых водонасыщенных лессовых грунтов динамическими воздействиями 196
6.3 Методика проведения и результаты полевых испытаний оснований, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами на сейсмические (сейсмовзрывные) воздействия 202
6.3.1 Методика проведения полевых испытаний 202
6.3.2 Результаты испытаний однородных оснований 204
6.3.3 Результаты испытаний искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, рекомендации по их учету 209
6.3.4 Результаты испытания самоформирующихся набивных свай 212
Выводы по главе 214
Заключение 215
Список использованных источников 219
Приложения 243
Приложение А Внедрение результатов исследований 243
Приложение Б Технические условия на изготовление самоформирующихся набивных свай и песчаных дрен в лессовых водонасыщенных грунтах 249
- Опыт промышленного и гражданского строительства на слабых водонасыщенных лессовых грунтах
- Изменение уровня подземных вод и обводнение отдельных территорий. Анализ опыта проведения инженерно-геологических изысканий на территориях, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами
- Виды оснований и фундаментов при использовании слабых грунтов
- Исследование особенностей работы искусственных оснований на слабых водонасыщенных лессовых грунтах, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, при статическом нагружении
Введение к работе
. Приведенные в диссертационной работе комплексные исследования и разработки по решению проблемы строительства зданий и сооружений (ЗС) на слабых водонасыщенных лессовых грунтах (СВЛГ) в условиях Республики Таджикистан, обеспечивают решение крупной научно-прикладной проблемы - повышение надежности и эффективности застройки территорий, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами. В соответствии с научной концепцией, выдвинутой соискателем, СВЛГ в основании рассматриваются как особое техногенное новообразование, формирование которых обусловлено интенсивным воздействием природных и техногенных факторов обводнения на ранее маловлажные лессовые породы, что предполагает возведение и эксплуатацию геотехнической системы «основание - фундамент- сооружение» рассматривать неразрывно и во взаимосвязи с измененными условиями строительства.
Актуальность проблемы. Запрещение строительства ЗС на пригодных для сельского хозяйства земляных массивах, привело к освоению под застройку ранее непригодных площадей, в т. ч. обводненных и заболоченных территорий. В то же время, в начале 70-х годов XX века, в связи с бурным развитием орошения в Республике Таджикистан, происходит резкий подъем уровня подземных вод (УПВ), наблюдается процесс интенсивного обводнения и водонасыщения обширных территорий, сложенных ранее маловлажными лессовыми грунтами, в результате чего происходит существенное ухудшение их физико-механических характеристик и, как правило, они переходят в категорию слабых и сильносжимаемых, с присущими специфическими свойствами (малая несущая способность, высокая сжимаемость, неравномерность и длительность протекания осадок во времени, высокое расположение уровня подземных вод и др.). В настоящее время более 30% осваиваемых территорий в республике представлены этими грунтами, где зачастую на глубине 0...5 м от поверхности залегают различные разновидности водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов (суглинки, супеси, реже глины), толщиной от 3 до 30 м и более.
Существующие города и крупные населенные пункты, в основном, расширяются за счет освоения под застройку близлежащих к ним территорий, часто представленных СВЛГ. Проектирование, строительство и эксплуатация ЗС на указанных грунтах связано с большими затруднениями, обусловленными как специфическими свойствами грунтов, так и отсутствием соответствующих экспериментально-теоретических исследований, по разработке надежных и эффективных методов подготовки оснований и устройства фундаментов, в сейсмически активных районах республики.
Сложное экономическое положение страны, дефицит и высокая стоимость широко используемых в строительстве материалов (в основном металла, цемента и древесины) способствуют значительному удорожанию стоимости и повышению трудоемкости устройства оснований и фундаментов ЗС на СВЛГ (стоимость возведения нулевой части зачастую составляет 25... 30 %, иногда и более, от сметной стоимости объекта).
Следовательно, разработка и научное обоснование прогрессивных и экономичных методов строительства на обводненных и водонасыщенных территориях представляет важную народнохозяйственную задачу и, ее решение, соответствует велению времени и технической политике в области строительства, осуществляемой в Республике Таджикистан.
Целью работы является: на основе изучения состояния проблемы промышленного и гражданского строительства на территориях, сложенных СВЛГ, исследования изменения их физико-механических и прочностных свойств, условий залегания, особенностей напряженно-деформированного состояния однородных и неоднородных оснований разработать рациональные методы проектирования и устройства оснований и фундаментов в Республике Таджикистан.
В соответствии со сформулированной целью работы были поставлены и решались следующие задачи:
изучить и выявить основные факторы, характеризующие особенности строительства ЗС на СВЛҐ; обобщить опыт существующей практики изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации ЗС на СВЛГ; определить направления совершенствования указанного комплекса;
изучить инженерно-геологические условия залегания, особенности образования и распространения СВЛГ на территории республики Таджикистан, установить основные причины их обуславливающие. Выявить типовые схемы залегания этих грунтов в основании. Разработать классификацию типов оснований и видов фундаментов на СВЛГ;
исследовать особенности изменения физико-механических и прочностных свойств лессовых просадочных грунтов при их водонасыщении в лабораторных и полевых (натурных) условиях.
провести анализ и обобщить опыт применения различных методов подготовки и устройства фундаментов, выявить для дальнейшего исследования рациональные их типы и способы (фундаменты на естественных и искусственных основаниях) на СВЛГ в условиях Таджикистана;
исследовать возможность и эффективность использования в качестве оснований СВЛГ и неоднородных оснований (с верхним неводонасыщенным и нижним слабым подстилающим слоем) в природных условиях их залегания. Произвести анализ напряженно-деформированного состояния системы «фундамент -неводонасыщенный грунт- слабое основание» аналитическими и численными методами, сравнить их с результатами штамповых испытаний в натурных условиях;
разработать и исследовать технологию устройства и особенности работы искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек из местных материалов, подстилаемых СВЛГ и неоднородными напластованиями грунтов;
разработать и исследовать технологию изготовления малоармированных самоформирующихся набивных свай (СНС) и песчаных дрен (ПД) в качестве фундаментов и метода подготовки оснований в СВЛГ, изучить особенности их работы в натурных условиях, с последующей разработкой методики расчета и технических условий на их изготовление;
исследовать особенности работы однородных и искусственных оснований, сложенных СВЛГ, при сейсмических нагрузках (имитируемых сейсмовзрыв-ными воздействиями);
разработать рекомендации по проектированию и устройству фундаментов на естественных, неоднородных и искусственных основаниях, подстилаемых СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.
Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах:
впервые по разработанной единой комплексной методике и программе были организованы и проведены исследования слабых водонасыщенных лессовых фунтов Центрально-Азиатского региона в лабораторных и полевых (натурных) условиях.
проведены исследования особенностей обводнения и перехода лессовых просадочных грунтов в водонасыщенное состояние, изучены инженерно-геологические условия формирования и изменения строительных свойств СВЛГ Таджикистана с составлением таблиц нормативных значений прочностных и деформационных характеристик пылевато-глинистых грунтов.
установлены и предлагаются для практического использования типовые схемы залегания СВЛГ в основании ЗС. Разработана классификация типов оснований и видов фундаментов при освоении под застройку территорий, сложенных указанными грунтами.
выявлены и проведены комплексные исследования эффективных методов устройства оснований и фундаментов ЗС на СВЛГ, образованных обводнением и водонасыщением раннее маловлажных лессовых пород.
в натурных (полевых) условиях исследованы закономерности напряженно-деформированного состояния естественных, неоднородных (слоистых) и искусственных оснований, сложенных СВЛГ, при статических и сейсмических (имитируемых сейсмовзрывными воздействиями) нагрузках.
разработаны основные положения по методике проектирования, расчета и устройства фундаментов ЗС на естественных и искусственных основаниях, сложенных СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.
Научные положения (результаты), выносимые на защиту:
результаты исследований по изучению и систематизации инженерно-геологических условий залегания, особенности образования и распространения СВЛГ в различных регионах Республики Таджикистан; качественного и количественного изменения основных строительных свойств лессовых просадочных грунтов при их обводнении и водонасыщении;
комплексная оценка результатов экспериментальных и теоретических исследований, определяющих эффективность использования в качестве оснований однородных и неоднородных оснований, подстилаемых СВЛГ, в условиях их природного залегания;
комплексная оценка результатов экспериментальных и теоретических исследований, определяющих эффективность применения искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек из местных материалов на однородных и неоднородных основаниях, подстилаемых СВЛГ;
комплексная оценка результатов исследований по технологии устройства и особенностям работы малоармированных СНС и вертикальных ПД на СВЛГ;
результаты анализа натурных экспериментальных исследований влияния сейсмических нагрузок, имитируемых сейсмовзрывными воздействиями, на несущую способность и деформируемость однородных и искусственных основа-ний.сложенных СВЛГ; методика учета снижения несущей способности искусственного основания при сейсмических воздействиях различной интенсивности;
научно-практические рекомендации по выбору и проектированию эффективных методов устройства фундаментов ЗС на естественных и искусственных основаниях, сложенных СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.
Практическая ценность работы:
обобщены и систематизированы материалы по изучению инженерно-геологических условий образования, залегания и определения строительных свойств СВЛГ в различных регионах Республики Таджикистан (для использования при составлении нормативных документов по проектированию оснований и фундаментов на СВЛГ);
разработаны положения и требования по проектированию и устройству фундаментов на неоднородных основаниях в условиях их природного залегания, подстилаемых СВЛГ;
разработаны технология устройства, основные положения и требования по проектированию фундаментов на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных подушек из различных материалов (гравийно-галечниковые, песчаные, грунтоизвестковые и др.), сложенных СВЛГ и неоднородными основаниями;
разработана и апробирована в натурных условиях технология эффективного способа устройства малоармированных СНС и вертикальных ПД в СВЛГ, технические условия на их изготовление;
разработана и внедрена методика проектирования и устройства оснований, уплотняемых с использованием вертикальных ПД и пригрузкой территории на СВЛГ;
разработаны и внедрены в практику строительства «Рекомендации по устройству искусственных оснований на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах (на примере Таджикской ССР)»;
с использованием результатов исследований запроектированы, возведены и надежно эксплуатируются многочисленные ЗС промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения на СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы и внедрены:
при проектировании, строительстве и эксплуатации ЗС промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения в системах Госстроя, Минстроя, Минсельстроя и др. ведомств и организаций Республики Таджикистан;
при разработке республиканских строительных норм и правил, практических рекомендаций, технических условий и др. документов, регламентирую-
щих исследования, изыскания, проектирование и устройство оснований и фундаментов на СВЛГ;
- при подготовке инженеров, магистров и аспирантов строительного профиля в образовательном процессе ВУЗов Республики Таджикистан
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются: применением основных положений и моделей классической механики грунтов, математической статистики, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, требованиям строительной практики, их корректной постановкой, обоснованными критериями оценки, большим количеством натурных экспериментов, удовлетворительной сходимостью расчетных и опытных данных, использованием современных измерительных приборов и оборудования, методологией проведения экспериментальных работ, применением лицензированных компьютерных программ и подтверждается опытом успешной многолетней эксплуатации ЗС промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения на СВЛГ, где были реализованы основные положения и рекомендации данной работы.
Связь темы диссертации с планами отраслей науки и производства.
Основная часть программы исследований по теме диссертации была выполнена в период 1976... 1990 г.г., в рамках целевой комплексной программы Госстроя СССР и Таджикской ССР, в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской тематике «Провести исследования с целью выбора рациональных методов подготовки оснований и устройства фундаментов зданий, возводимых на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах Таджикской ССР».
Апробация работы. Основные научные положения, результаты исследований и выводы по диссертационной работе докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных и республиканских научных и научно-практических конференциях: «Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 60-летию образования ТаджССР и КП Таджикистана» (Душанбе, 1984); «Республиканская научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов, посвященная 60-летию образования Ленинского комсомола Таджикистана» (Душанбе, 1985); «Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений» (Нарва, 1985); «Подготовка оснований и устройство фундаментов на просадочных грунтах и в сейсмических районах» (Чимкент, 1985); «Proceedings Fifth International Congress International Association of Engineering Geology. 20-25 October 1986» (Buenos-Aires, 1986); «Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении» (Москва, 1987); «Республиканская научно-практ. конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 70-летию Великого Октября» (Душанбе, 1987); «ХУ11 научно-отчетная конференция преподавателей ТПИ» (Душанбе, 1989); «Международная конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 70-летию г.Душанбе» (Душан-бе,1997); «Международная научно-практ. конференция «16 Сессия Шурой Оли РТ (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования» (Душанбе, 2002); «Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства
и сейсмологии» (Душанбе, сентябрь 2005); «Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах» (Душанбе, ноябрь 2005); «Наука и инновации в современном строительстве-2007» (Санкт-Петербург, 2007); «Научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах» (Санкт-Петербург, 2008); «Международный научный семинар» (Астана, 2008); «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009).
Полнота опубликованных работ. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе и составляющие содержание диссертационной работы, освещены в 32 научных трудах, в т. ч. из Перечня, утвержденного Комитетом по контролю МО РК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных литературных источников из 321 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации - 252 страницы, включая ПО рисунков и 37 таблиц.
Опыт промышленного и гражданского строительства на слабых водонасыщенных лессовых грунтах
Понятие о слабых водонасыщенных лессовых грунтах Слабые водонасыщенные грунты широко распространены во многих регионах земного шара, в т.ч. на значительных территориях стран СНГ, и к ним относятся грунты различного генезиса (водонасыщенные супеси, суглинки и глины; морские и пресноводные илы; биогенные грунты - заторфованные, торфы и сапропели; водонасыщенные лессовые грунты; озерно-ледниковые - ленточные глины, суглинки и супеси; рыхлые пески; водонасыщенные пылеватые намывные грунты и др.), с присущими им специфическими свойствами. Однако их объединяют общие закономерности, такие как низкое значение расчетного сопротивления грунтов, повышенная сжимаемость, длительность протекания осадок во времени, высокое расположение УГТВ и т.д.
Следует отметить, что до настоящего времени общепринятого термина “слабые грунты“ не существует, хотя его появление произошло еще задолго до становления таких научных дисциплин, как механика грунтов и инженерная геология и было обусловлено интересами практики строительства, т.е. необходимостью привлечь внимание строителей к особым грунтовым условиям. При этом не все глинистые породы в водонасыщенном состоянии становятся слабыми и в природе существуют определенные виды грунтов, которые при водонасыщении могут сохранять сравнительно высокие показатели прочностных свойств (моренные глины, тортонские глины Прикарпатья, карбоновые глины и др.).
В странах СНГ, научные основы фундаментостроения на слабых грунтах были заложены еще Б.Д.Васильевым. Им было дано следующее определение термина слабый грунт: “слабыми называются такие грунты, которые обладают незначительной несущей способностью, осадки на них оказываются большими и опасными, и для благополучного строительства они требуют особых способов укрепления“ (Васильев Б.Д., 1952).
Термин “слабый грунт“ использовался в инженерно-геологической литературе в начале XX века. В то время Саваренским Ф.П. слабые грунты были выделены в отдельную классификацию, которая до сих пор сохранила своего значения. Широкого распространения термин “слабый грунт“ в технической литературе получил в 40...50-ые годы XX века, когда в СССР были проведены исследования свойств указанных грунтов различного генезиса. Большая роль в развитии исследований слабых грунтов принадлежит
Всесоюзному совещанию по строительству на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, проведенной в г. Таллине в 1965 году [1]. При этом было подчеркнуто, что строительство на слабых грунтах является специальным направлением фундаментостроения и инженерной геологии, представляющим важное народнохозяйственное значение. Там же, Н.А. Цытовичем была предложена следующая формулировка: “слабыми грунтами мы называем грунты с незначительной несущей способностью (0,5... 1,0 кгс/см2, редко большей), сильносжимаемые, на которых возводить сооружения без принятия специальных мер затруднительно, а иногда и невозможно“.
Проблемы исследования свойств, проектирования и строительства ЗС на слабых грунтах в СССР особенно интенсивное развитие получили после выхода решения ЦК КПСС и СМ СССР “О широком развитии мелиорации земель для получения высоких и устойчивых урожаев зерновых и других сельскохозяйственных культур“ [2, 3], в котором была осуждена практика отвода под строительство ценных пахотных земель. Было указано, что для строительства необходимо использовать непригодные для сельского хозяйства земли - крутые склоны холмов, затопляемые, заболоченные территории и др. проблемные грунты.
В то же время, наряду с большим количеством публикаций в технической литературе, вопросам строительства на слабых водонасыщенных грунтах были посвящены ещё три Всесоюзных совещания (Рига, 1970; Одесса, 1975; Алма- Ата, 1977) [4, 5, 6] и многочисленные научно-технические семинары и конференции.
В настоящее время специалисты достаточно широко толкуют содержание понятия “слабый грунт“, отнеся к этой категории грунтов глинистые водные осадки, илы, торф, заторфованные и ленточные глинистые грунты, разнообразные техногенные наносы и др.
Как отмечено А.К.Ларионовым [7], термин “слабые водонасыщенные грунты“ имеет чисто строительное значение, одновременно давая и инженерногеологическую информацию об особом состоянии и свойствах таких грунтов. Им дается следующее определение содержания термина: “Слабыми грунтами называются различные глинистые, пылеватые и органоминеральные породы, находящиеся в водонасыщенном состоянии (Бг = 0,8... 1,0), обладающие текучей или текучепластичной консистенцией, структурной неустойчивостью и соответственно малой прочностью и высокой деформативностью“.
Высокие темпы городского, промышленного и мелиоративного строительства наблюдаемые практически во всех странах СНГ приводят к коренным изменениям окружающей среды в самых различных природных условиях (от крайнего Севера до Южных регионов). В результате нарушается ранее существовавший водный баланс поверхностных и подземных вод, изменяются геологические и гидрогеологические условия, возникают новые геологические процессы, интенсифицируются старые и в результате создаются условия, неблагоприятные для строительства и эксплуатации не только отдельных сооружений, но и освоенных территорий в целом.
С ростом городского, промышленного и мелиоративного строительства резко изменяется водный режим территории, возникают новые источники питания и условия разгрузки подземных вод, нарушается ранее существовавшая гидродинамическая обстановка. В итоге при соответствующих природных условиях возникает подъем подземных вод и увеличение влажности грунтов оснований, приводящие к формированию процесса техногенного подтопления. Процесс подтопления в настоящее время охватил значительные территории многих стран и рассматривается как “проблема века“.
Причинами интенсивного развития процесса подтопления орошаемых, застроенных и застраиваемых территорий являются бесконтрольный полив сельскохозяйственных угодий, низкое качество производства работ по инженерной подготовке и строительству водонесущих сооружений, нарушение правил их эксплуатации, а также недостатки в проектировании объектов строительства, когда не уделяется должного внимания прогнозированию процесса подтопления и мероприятиям по предупреждению его отрицательного воздействия.
Многочисленными исследованиями в различных странах было установлено, что в результате подтопления происходит значительный подъем УПВ и водонасыщение больших массивов лессовых просадочных грунтов, они переходят в категорию “слабых“ и сильносжимаемых, ухудшаются их прочностные и деформационные характеристики. Кроме того, процесс подтопления способствует возникновению неблагоприятных геологических явлений (осадки, просадки, карст, оползни и т.д.), что приводит к нарушению эксплуатационной пригодности и часто к аварии зданий и сооружений. Практика показывает, что устранение последствий подтопления требуют значительных капиталовложений.
Об актуальности и важности указанной проблемы свидетельствует проведение ряда специальных Всесоюзных совещаний по вопросам подтопления застроенных территорий грунтовыми водами, методам прогноза и защиты (г. Белгород, 1972; г. Ташкент, 1978; г. Новосибирск, 1984) [13, 14, 15] и “Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека“ [ 16] и др. Проблема взаимодействия пород с водой и водными растворами, происходящими при этом изменений инженерно-геологических свойств пород, была впервые выдвинута В.А. Приклонским как одна из ведущих проблем грунтоведения [17].
Ниже рассмотрены примеры изменения инженерно-геологических условий территорий, сложенных лессовыми просадочными грунтами различных регионов стран СНГ в результате их обводнения и подтопления.
На территории Российской федерации процессы обводнения площадей в большинстве случаев связаны именно с слабопроницаемыми лессовыми грунтами (Кф 1,0 м/сут) [18-36]. В работах [20, 24, 25] указывается, что при обводнении и подтоплении территорий скорость подъема УПВ колеблется от 0,1 до 0,5 м/год вне куполов формирования УПВ. Последние исследования на Северном Кавказе и в Казахстане свидетельствуют, что обводнение может произойти даже в тех случаях, когда просадочная толща сложена грунтами с кф = 1...4 м/сут. Сравнение скоростей подъема УПВ с мощностями лессовых просадочных толщ и величиной активных зон в основании фундаментов показывает, что если обводнение связано с подъемом УПВ, то подтопление займет годы, иногда 10...20 лет. Как показали исследования РИСИ, а также материалы по другим регионам, уже через 3... 5 лет наблюдаются изменения в качественном и количественном составе минералов, при этом идет перестройка структуры - в основном разрушаются крисстализационные связи и формируются новые каогуляционные связи.
Изменение уровня подземных вод и обводнение отдельных территорий. Анализ опыта проведения инженерно-геологических изысканий на территориях, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами
Следует отметить, что проблемы интенсивного обводнения и перехода обширных и локальных территорий в водонасыщенное состояние, в республике Таджикистан и других странах региона, начались ещё в начале 70-х годов прошедшего столетия. Для изучения условий образования и распространения, а также получения представления о реальных масштабах вияния фактора обводнения на переход лёссовых просадочных грунтов в водонасыщенное состояние, весьма важным является ознакомление с распространением этих грунтов на территории республики, объемом и размахом ирригационного строительства в республике Таджикистан.
Лёссовые и лёссовидные породы (в дальнейшем лёссовые грунты) широко распространены в различных частях земного шара, в т.ч. залегают на значительной территории стран СНГ, занимая более 14% их территории. Они широко представлены на территории Украины, Белоруссии, Молдавии, Российской федерации (Европейская часть, Северный Кавказ, Западная Сибирь), Казахстана, Узбекистана, Таджикистана, Киргызстана и Туркменистана [248].
На территории Таджикистана лёссовые грунты занимают около 70% общей площади осваиваемых территорий [259,260] и преимущественно распространены на межгорных равнинах и низких предгорьях, залегают в пределах долин рек Сырдарьи, Зеравшана, Вахша, Кафирнигана, Сурхандарьи и др. (рисунок 2.1). Изучение инженерно-геологических условий территории Таджикистана показывает, что грунты большинства районов относятся к четвертичным отложениям. Как правило, лессовые грунты сильнопросадочные, а лессовидные породы характеризуются от высокопросадочных до слабопросадочных, при этом их мощность изменяется от 5 до 300 м, а просадочная толща составляет = 5...30 м, реже превышает 30 м.
Стратегический план развития на ближайшие годы и предыдущий период развития страны свидетельствуют о том, что наиболее интенсивное строительство промышленных, гражданских, сельскохозяйственных, гидротехнических, ирригационных, транспортных и др. сооружений осуществлялось и будет осуществлено в Северо-Восточном, Центрально- Таджикском и Юго-Западном регионах (возведены Вахшский азотно-туковый завод в пгт.Сарбанд, Яванский электрохимический завод и Яванская теплоэлектроцентраль в г.Яване и др. объекты), где наиболее широко распространены лессовые просадочные грунты. В то же время, именно в этих регионах, были проведены большие работы по орошению обширных территорий под сельскохозяйственное производство. Основными источниками орошения, в этих регионах, являются река Пяндж с притоками Вахш, Кафирниган, Кызылсу и др., река Сырдарья с притоками Исфара, Ходжабакирган, Оксу и др., река Зеравшан с притоками Магиян и Кштут.
К 1990 годам в республике площадь орошаемых земель составляло более 640 тысяч гектаров. В период 1968... 1989 годов были введены в эксплуатацию протяженные ирригационные тоннели в Явансуйской, Обикиикской и Дангаринской долинах (таблица 2.1), которые позволили оросить более 134 тыс.га земель. Кроме того, были освоены под орошение около 30 тыс.га земель в Аштском районе и 27 тыс.га в Бешкентской долине.
В последние годы на реке Вахш продолжается интенсивное строительство Сангтудинской ГЭС-1, идет подготовка к началу строительства Сангтудинской ГЭС-2, будет продолжено строительство уникального и крупнейшего в Центральноазиатском регионе Рогунской ГЭС с соответствующими водохранилищами, что, несомненно, приведет к освоению и орошению новых обширных территорий, дополнительному обводнению и подтоплению больших территорий.
В Таджикистане насчитывается более 18 оросительных систем, а постоянная оросительная сеть каналов различного сечения составляет более 20 тыс. км, ими для полива сельскохозяйственных угодий забирается более 9 млрд, кубометров воды. При этом, длина каналов с бетонной облицовкой стен, составляет менее 10% от общей длины. Это способствует инфильтрации значительных объемов воды в окружающие массивы грунтов и их переходу в водонасыщенное состояние. Результаты многолетнего опыта эксплуатации оросительных систем и сетей показывают, что процесс обводнения и перехода лессовых проеадочных грунтов в водонасыщенное состояние, охватывает практически все орошаемые территории. По архивным материалам АООТ ТаджикГИИНТИЗ и проектных организаций, в таблице 2.2 приведены характерные примеры площадок, представленных СВЛГ из различных регионов Таджикистана.
Если к 1980 году в республике территории, сложенные СВЛГ, занимали около 14% всей площади лессовых образований [146, 147], то в настоящее время их доля составляет более 30% и наблюдается устойчивая тенденция к их увеличению. Характерной особенностью Центральноазиатских стран, в т.ч. республики Таджикистан является то, что зачастую орошаемые территории находятся либо в пределах больших городов и населенных пунктов, либо расположены в непосредственной близости от них. Это обстоятельство приводит к существенному их взаимовлиянию и усугублению процесса техногенного подтопления территорий.
В главе 1 были рассмотрены особенности обводнения и схемы распределения влаги по глубине в толще лессовых пород (см. рис. 1.1), характерных для многих стран СНГ. Следует отметить, что условия обводнения и подтопления лессовых пород в республике Таджикистан, имеют свои региональные особенности. Наличие естественных и строительство многочисленных искусственных водохранилищ и водоемов различного назначения, оказывают мощный подпор грунтовым водам и, наряду с природными и техногенными факторами, интенсифицируют значительный подъем УПВ. Так, строительство Нурекского гидроузла и Байпазинской ГЭС, с одноименными водохранилищами площадью в несколько сот квадратных
Виды оснований и фундаментов при использовании слабых грунтов
Следует отметить, что расчетное сопротивление грунтов основания в этих испытаниях не превышало К = 120 кПа, т.е. оказалось почти в два раза меньше значения аналогичных испытаний, проведенных на площадке института Земледелие (при А = 1,0; Я = 240 кПа). Это обстоятельство, в основном, можно объяснить более высокими значениями показателя текучести Д и низкими значениями модуля деформации Е грунтов верхнего несущего слоя основания (см. табл. 3.1). Грунты несущего слоя площадки института Земледелия, характеризуются показателем текучести Д = 0,22 и модулем деформации Е = 8 МПа, а площадки № 2 - Д = 0,38 и Е = 5,5 МПа, что указывает на существенное влияние деформационных и прочностных показателей, а также состояния (консистенции) верхнего несущего слоя грунтов, на несущую способность и величину осадки неоднородного естественного основания. Анализ графиков зависимости осадки от нагрузки для неоднородных естественных оснований, подстилаемых СВЛГ, свидетельствует о том, что при ио давлении на грунты основания менее их расчетного сопротивления (р ю, происходит процесс нормального их уплотнения без нарушения его структуры и образования зон локальных сдвигов. Дальнейшее нарастание внешней нагрузки до р Л приводит к значительному увеличению вертикальных перемещений штампа, в результате развития плоскостей скольжения в массиве грунта, находящегося непосредственно под подошвой штампа на глубину до 1,0 с1ш. Пониженная прочность слабого подстилающего слоя, не находящегося во всех этапах нагружения штампа в области его активного воздействия (при X 1,0), обуславливает концентрацию вертикальных и горизонтальных перемещений грунта в верхнем несущем слое, без видимых признаков выпора на поверхность. С увеличением внешней нагрузки, величина перемещений подстилающего слабого слоя по отношению к общей деформации основания возрастает незначительно.
Результаты качественного и количественного сравнения особенностей развития деформаций грунтов в основании штампов двух экспериментальных участков показывают, что при нагружении активная зона работы основания составляет глубину, равную диаметру штампа. Следовательно, при одних и тех же физико-механических свойствах слабого подстилающего слоя, относительной его толщине верхнего и одинаковых внешних давлениях, несущая способность неоднородного основания в природных условиях залегания, в значительной степени будет зависеть от прочностных и деформационных показателей, а также состояния (консистенции) верхнего несущего слоя грунта.
С целью уточнения и выбора метода расчета осадок неоднородных естественных оснований, подстилаемых СВЛГ, были определены их значения с использованием широко применяемых в практике проектирования и исследований методов расчета осадок - послойного суммирования по СНиП 2.02.01-83 , уточненного метода послойного суммирования [276], эквивалентного слоя грунта Н.А.Цытовича. Расчетная схема определения осадок по методу послойного суммирования (по СНиП) приведена на рисунке 3.12, а значения расчетных осадок для всех указанных методов обобщены в таблице 3.3.
Сравнение фактически замеренных осадок б)/, с расчетными б, вычисленными методом послойного суммирования и эквивалентного слоя Н.А.Цытовича, с использованием компрессионных модулей деформации для грунтов верхнего Е/ = 8 МПа и штампового для слабого Е2 = 3 МПа слоев, показывает на хорошую сходимость результатов при относительной толщине верхнего слоя X = 0,5. При увеличении относительной толщины (X = 1,0...2,0), расхождение величин осадок составляет более 200% для площадок института Наиме- №№ Сред-нее Замерен.осадки Расчетные значения осадок 5, вычисленные по методам но-ваниеэкспер. ОПЫТОВ давление б ф, Кж7 поел, суммиров. (Е] = 8 МПа, Е2= 3 МПа) поел, суммиров. (/=32 МПа, =3 МПа) эквивалент, слоя (/ = 8 МПа, Е2= 3 МПа) уточненный метод поел. суммир.(/= 8 МПа, Е2= 3 МПа) уточненный метод поел. суммир.(/= 32 МПа, 2=3МПа) площадки ,кПа мм м , мм Ьсж м Б/Бф ,мм мм слс,М №ф слс, М Б/8Ф , мм ъГ1СЖ1М Б/Бф мм КжМ Б/Бф
Земледелия, а для площадки № 2 при А = 1,0 достигает 23...52%, что, в целом, свидетельствует о неэффективности использования указанных методов для расчета осадок фундаментов на неоднородных естественных основаниях, подстилаемых СВЛГ. В соответствии с п. 5.3.6 СП 50-101-2004 для сооружений III уровня ответственности, при расчете осадок фундаментов, допускается определять значение модуля деформации грунтов Е по результатам их компрессионных испытаний, корректируя их с помощью повышающих коэффициентов гпк, приведенных в табл. 5.1 СП.
В соответствии с табл. 3.3, расчет осадок методом послойного суммирования с использованием измененных модулей деформации грунтов показывает на хорошую сходимость результатов только при значении относительной толщины верхнего слоя А = 2,0. Осадки штампов, вычисленных с использованием уточненного метода послойного суммирования и значений компрессионных модулей деформаций {Е} = 8 МПа, Е? = 3 МПа), получаются существенно меньшими, но также превышают опытные значения, кроме опытов № 1,2 на площадке № 2. При использовании значений Е/ = 22...32 МПа, Е2 = 3 МПа хорошая сходимость наблюдается при А = 2,0.
С целью выявления причин существенного расхождения значений фактических и расчетных осадок штампов, по результатам экспериментальных исследований были исследованы особенности развития зоны деформаций по глубине основания и изменение модуля деформации однородных и из неоднородных естественных оснований, при различных фазах напряженно- деформированного состояния основания штампов.
Развитие послойных и относительных деформаций по глубине основания штампов показывают, что при первой ступени нагрузки зона деформаций достигла слабого подстилающего слоя грунта (рисунок 3.13). относительная деформация 00%
Исследование особенностей работы искусственных оснований на слабых водонасыщенных лессовых грунтах, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, при статическом нагружении
При толщине слабых водонасыщенных лессовых грунтов от 7 до 12 м, подстилаемых гравийно-галечниковыми или другими прочными породами, возможно и целесообразно устройство свайных фундаментов из забивных и набивных свай различной конструкции. В последние годы, в практике строительства на слабых грунтах, широкое применение находят буронабивные и набивные сваи различной конструкции, воспринимающие большие сосредоточенные нагрузки. Считается, что свайные фундаменты в слабых водонасыщенных грунтах, позволяют предохранить здания от разрушения при сейсмических воздействиях. Тем не менее, опыт проектирования и строительства в республике Таджикистан, свидетельствует об отсутствии материалов по исследованию и использованию каких либо конструкций свай в слабых водонасыщенных лессовых грунтах.
Многочисленные исследования и большой опыт зарубежных стран показывает, что традиционно для устройства набивных свай в слабых водонасыщенных грунтах требуется: специальное оборудование для устройства скважин с большим набором бурового инструмента; дефицитные обсадные трубы различного диаметра; использование технологии подводного бетонирования, требующего высокого качества выполнения работ; большого количества операций и времени по изготовлению буронабивных и набивных свай; больших трудозатрат и т.д.
Учитывая вышеприведенные обстоятельства, при устройстве набивных свай и песчаных дрен на лессовых водонасыщенных грунтах, более целесообразным является применение технологии устройства СНС и песчаных дрен. Данный способ был предложен и апробирован в инженерногеологических условиях Западной Сибири сотрудниками НИИОСП и в технической литературе известен под названием виброформованных свай.
Сущность способа заключается в том, что при устройстве набивных свай и песчаных дрен, совмещается процесс образования скважины и ее заполнение материалом (бетон или песок). При этом, на поверхность основания устанавливается приемный бункер с отверстием на дне, соответствующим диаметру будущей сваи или песчаной дрены (рисунок 5.1). В отверстие устанавливается наконечник, изготовленный из металла, железобетона и других материалов. Конструкция наконечника может быть выполнена в виде теряемых (оставляемых в грунте) и инвентарных (извлекаемых), а съемные наконечники различных диаметров позволяют выбрать наиболее экономичное решение в зависимости от инженерно-геологических условий площадки строительства. В направляющий стакан наконечника вставляется или прикрепляется погружающая штанга (полая труба - обычно буровые толстостенные трубы), верхний конец которой закрепляется с оголовником погружающего механизма (дизель-молот, вибромолот, вибропогружатель и др.). Затем в приемный бункер а-установка приемного бункера; б-установка извлекаемого наконечника и погружающей штанги с вибропогружателем; б-погружение наконечника; в-извлечение погружающей штанги с наконечником; д-оформление оголовка сваи а-установка приемного бункера, теряемого наконечника и погружающей штанги с вибропогружателем; б-погружение наконечника; в-извлечение погружающей штанги; г-установка армокаркаса; д-оформление оголовка сваи а-установка теряемого наконечника и сваебойного агрегата; б-погружение наконечника с заполнением полости скважины автобетоносмесителем; в-извлечение погружающей штанги; г-установка армокаркаса; д-оформление оголовка сваи 1-приемный бункер; 2-наконечник; 3-погружающая штанга; 4-погружающий механизм; 5,6-армокаркас; 7-автобетоносмеситель
А- с извлекаемыми наконечниками; В- с теряемыми наконечниками; С- с теряемыми наконечниками, погружаемые сваебойными установками подается подвижная бетонная смесь или насыщенный водой песок и производится погружение наконечника в слабый грунт. При погружении, бетон или песок самотеком поступает в образовавшуюся полость, предохраняя тем самым обрушение стенок скважины. В случае необходимости, к наконечнику можно приварить металлический каркас или опустить в скважину с бетоном готовое его звено.
Вследствие небольшой площади боковой поверхности наконечника, соприкасающегося с грунтом, силы трения о грунт при их погружении весьма невелики, что позволяет использовать легкое и мобильное погружающее оборудование при минимальных затратах.
Предлагаемый способ позволяет: полностью отказаться от использования дефицитных обсадных труб и бурового инструмента; отказаться от технологии подводного бетонирования; снизить трудозатраты на их изготовление; уменьшить количество операций и сократить время на их изготовление.
Экспериментальные исследования по отработке технологии устройства СНС и песчаных дрен были проведены на двух участках. Один из участков расположен вблизи г.Душанбе, на территории Вахдатского района и представлен двумя террасами. Первая терраса размером 30 х 30 м расположена на 1,2... 1,5 м выше поверхности второй террасы. Изысканиями было установлено, что УПВ на первой террасе расположен на глубине 1,0...1,5 м от поверхности, а ниже его, на глубину более 10 м, залегают водонасыщенные суглинки (е = 0.894; Д, = 0,96; / = 0,93; Е = 2,7 МПа). Вторым участком была выбрана экспериментальная площадка № 1 района Рудаки (физикомеханические свойства грунтов приведены в таблице 2.10, гл. 2).
Для устройства набивных свай были изготовлены конструкции теряемых наконечников круглой формы диаметром d = 600мм (рисунок 5.2а) и инвентарных (извлекаемых) наконечников круглой формы диаметром с1 = 400 мм (рисунок 5.26). Для устройства песчаных дрен, по аналогии с набивными сваями, были изготовлены конструкции инвентарных наконечников круглой формы диаметром 7= 300...400 мм. а - теряемый наконечник, б - извлекаемый наконечник Рисунок 5.2 - Конструкции наконечников для изготовления свай и дрен
Конструкция приемного бункера была изготовлена из листовой стали толщиной 4 мм, размером по низу 1,5 х 1,5 м, поверху 2,5 х 1,5 м и высотой 1,2 м. Объем бункера составляет V = 3,0 м3 и на его дне было устроено отверстие диаметром d = 800 мм. В качестве погружающей штанги, при устройстве свай, были использованы металлические толстостенные буровые трубы, длиной 8,0 м и толщиной стенки 5=10 мм, а для устройства песчаных дрен, буровые штанги станка УГБ - 50М длиной по 3 м. В качестве погружающего механизма предполагалось использование вибропогружателя и дизель-молота.
