Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 12
1.1. Методы усиления оснований фундаментов 12
1.2. Усиление оснований фундаментов инъекцией цементных растворов в условиях слабых глинистых грунтов 13
1.3. Контроль качества работ при усилении слабых глинистых грунтов методом напорной инъекции 18
1.4. Расчет параметров слабых глинистых грунтов закрепленных методом напорной инъекции цементных растворов 20
1.5. Усиление оснований фундаментов сваями в условиях слабых глинистых грунтов 21
1.6. Существующие методы расчета несущей способности свай с уширением в основании 25
1.7. Цели и задачи диссертационной работы 31
2. Модельные экспериментальные исследования работы нагнетаемого несущего элемента 33
2.1. Конструкция сваи-прототипа и задачи модельных экспериментальных работ 33
2.2. Планирование модельных экспериментальных работ 35
2.3. Оборудование для проведения экспериментальных работ... 35
2.4. Исследование деформированного состояния грунта при изготовлении модели нагнетаемого несущего элемента 39
2.5. Распределение деформаций в активной зоне модели нагнетаемого несущего элемента при ее нагружении вертикальной статической нагрузкой 49
2.6. Осадки и несущая способность модели нагнетаемого несущего элемента 54
2.7. Выводы по главе 56
33 Натурные экспериментальные исследования работы нагнетаемого несущего элемента 57
3.1. Опытная площадка и задачи экспериментальных работ 57
3.2. Методика проведения натурных полевых экспериментов 60
3.2.1. Приборы и оборудование для проведения натурных полевых экспериментов 61
3.2.2. Технология устройства нагнетаемых несущих элементов 65
3.23. Технология устройства инъекционных свай 67
3.3. Порядок проведения полевых натурных экспериментов 68
3.3.1. Исследование уплотненной зоны грунта образованной при устройстве нагнетаемого несущего элемента 68
3.3.2. Осадки и несущая способность нагнетаемого несущего элемента 80
3.3.3. Исследование деформированного состояния грунтового массива при нагружении нагнетаемого несущего элемента вертикальной статической нагрузкой 86
3.4. Выводы по главе 97
4. Анализ результатов экспериментальных исследований работы нагнетаемого несущего элемента 100
4.1. Определение несущей способности и осадки модельного нагнетаемого несущего элемента на основе экспериментальных данных 100
4.2. Определение несущей способности и осадки натурного нагнетаемого несущего элемента на основе экспериментальных данных 106
4.3. Определение прочностных и деформационных характеристик грунта уплотненной зоны нагнетаемого элемента на основе экспериментальных данных 111
4.4. Выводы по главе 117
5. Теоретические исследования и численное моделирование работы нагнетаемого несущего элемента 118
5.1. Исследование радиуса зоны уплотнения нагнетаемого несущего элемента 118
5.2. Определение несущей способности нагнетаемого элемента... 126
5.3. Определение несущей способности нагнетаемого элемента по методике СНиП 132
5.4. Численное моделирование работы одиночного нагнетаемого несущего элемента 136
5.4.1. Осадки и несущая способность одиночного нагнетаемого несущего элемента 137
5.5. Численное моделирование работы ленточного фундамента совместно с нагнетаемыми несущими элементами 142
5.6. Выводы по главе 151
6. Усиление грунтовых оснований и оснований фундаментов нагнетаемыми несущими элементами .. 153
6.1. Область применения нагнетаемых несущих элементов 153
6.2. Схемы усиления оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами 154
6.3. Проектирование усиления оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами 156
6.4. Схемы усиления грунтовых оснований нагнетаемыми элементами 160
6.5. Проектирование усиления грунтовых оснований нагнетаемыми элементами 162
6.6. Рекомендации по устройству нагнетаемых несущих элементов при усилении оснований фундаментов 165
6.7. Рекомендации по устройству нагнетаемых элементов при усилении грунтовых оснований 166
6.8. Выводы по главе 167
7. Основные выводы по работе 168
Список литературы 170
Приложение
- Усиление оснований фундаментов инъекцией цементных растворов в условиях слабых глинистых грунтов
- Исследование деформированного состояния грунта при изготовлении модели нагнетаемого несущего элемента
- Приборы и оборудование для проведения натурных полевых экспериментов
- Определение несущей способности и осадки натурного нагнетаемого несущего элемента на основе экспериментальных данных
Введение к работе
Город Пермь относится к территории со сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, характерными только для этого региона. Влияние техногенных факторов, связанных с жизнедеятельностью человека, приводит к интенсивному развитию негативных геодинамических процессов. Подтопление застроенных территорий приводит к изменению консистенции глинистых грунтов и нарушению их структуры, подземные воды приобретают агрессивность по отношению к железобетонным конструкциям. Все это существенно снижает устойчивость зданий и сооружений, безопасность их эксплуатации.
В городе Перми и Пермском крае ряд жилых домов разной этажности, типов и времен постройки, общественных и производственных зданий и сооружений деформированы вследствие развития неравномерных осадок основания. Во многих случаях основания таких зданий представлены слабыми1 глинистыми водонасыщенными грунтами мягкопластичной и текучепла-стичной консистенции, фундаменты - ленточные или столбчатые.
В связи с этим актуальным вопросом является усиление оснований и фундаментов существующих зданий и сооружений в условиях слабых глинистых грунтов. В настоящее время большое распространение получили методы усиления оснований и фундаментов при помощи различных инъекционных элементов. Достоинствами этих методов являются техническая простота, небольшое время выполнения работ, а также возможность их применения в стесненных условиях. Основными недостатками инъекционных методов являются сложности контроля качества работ, прогнозирования характеристик грунтового массива после усиления основания, прогнозирования осадок и несущей способности усиленных фундаментов.
' Под слабыми глинистыми грунтами понимаются супеси, суглинки и глины текучей и текуче пластин но и консистенции и модулем общей деформации {„) менее 5 МПа.
7 Одним из перспективных способов усиления оснований и фундаментов является применение компактных конструкций свай с бетонным уширением на конце, обладающих высокой удельной несущей способностью. Отличительными достоинствами подобных конструкций являются: надежность усиления, простота проведения оперативного контроля объема смеси и давления инъекции при производстве работ. Наряду с достоинствами сваи подобной конструкции обладают определенными недостатками: необходимость использования сложного и габаритного оборудования; провоцирование дополнительных осадок усиливаемого фундамента при устройстве уширения с помощью бурового оборудования; сложность контроля формы уширения, образованного в основании сваи. Кроме того, работа сваи в условиях слабых глинистых грунтов недостаточная изучена.
Актуальной задачей является повышение эффективности и сокращение затрат на усиление оснований и фундаментов за счет разработки технологически простых конструкций элементов усиления, исследование их работы при усилении оснований и фундаментов в условиях слабых глинистых грунтов. При этом конструкция элемента усиления должна обеспечивать возможность контроля его формы и размеров. В качестве основы для разработки элементов усиления были приняты сваи с бетонным уширением в основании.
Разработка метода прогноза осадок и несущей способности оснований и фундаментов, усиленных элементами, основанного на определении оптимального шага и размеров элементов, осадок и несущей способности элементов, позволит повысить эффективность и обеспечить надежность усиления.
Целми диссертационной работы являются: разработка конструкции нагнетаемого несущего элемента и выявление основных закономерностей взаимодействия элемента с грунтовым массивом, разработка инженерного метода расчета и рекомендаций по усилению оснований и ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами.
8 Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
Разработана конструкция нагнетаемого несущего элемента, обладающего высокой удельной несущей способностью в условиях слабых глинистых грунтов.
Выполнены лабораторные модельные эксперименты по исследованию работы нагнетаемых элементов, включающие:
разработку и изготовление лабораторной экспериментальной установки для изготовления нагнетаемых элементов и исследования их работы в модельном грунте;
оптимизацию конструкции элемента, исследование несущей способности и осадок нагнетаемого элемента;
исследование деформированного состояния грунта вокруг нагнетаемого элемента;
изучение характеристик уплотненной зоны грунта вокруг нагнетаемого элемента.
3. Выполнены натурные полевые эксперименты, включающие:
исследование осадок и несущей способности нагнетаемого элемента;
оценку деформированного состояния грунтового массива вокруг нагнетаемого элемента при его нагружении;
исследование изменения прочностных и деформационных характеристик грунта вокруг нагнетаемого элемента.
Проведены теоретические исследования и численное моделирование работы одиночного нагнетаемого несущего элемента, а также элементов совместно с ленточным фундаментом.
Разработаны инженерные методы расчета усиления грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами.
Разработаны рекомендации по усилению грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов реконструируемых зданий нагнетаемыми несущими элементами.
9 Научная новизна работы заключается в том, что выполненные автором исследования взаимодействия нагнетаемого несущего элемента с грунтовым массивом позволили получить:
Зависимости изменения осадки и несущей способности нагнетаемого элемента от его размеров.
Закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик грунта уплотненной зоны нагнетаемого несущего элемента от его размеров и удаления от него.
Закономерности изменения размеров зон пластических и упругих деформаций при изготовлении нагнетаемого элемента, а также размеров уплотненной зоны грунта после изготовления нагнетаемого элемента.
Инженерные методы расчета усиления грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов реконструируемых зданий нагнетаемыми несущими элементами.
Рекомендации по производству работ при усилении грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими элементами.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Предложена конструкция нагнетаемого несущего элемента для усиления грунтовых оснований и повышения несущей способности ленточных фундаментов реконструируемых зданий в условиях слабых глинистых грунтов. Существенным достоинством конструкции нагнетаемого элемента является возможность контроля его размера и формы. При этом элемент рассматривается как свая-стойка при усилении оснований фундаментов и как элемент грунтового массива при усилении оснований.
Разработанные методики позволяют выполнять расчет грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов, усиленных нагнетаемыми несущими элементами в условиях слабых глинистых грунтов.
Для достижения оптимальных результатов при усилении грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов нагнетаемыми несущими
10 элементами предложены к использованию рекомендации по производству работ, разработанные на основе результатов выполненных экспериментальных исследований.
Внедрение результатов работы.
Внедрение осуществлено на одном из объектов г. Перми, что подтверждено соответствующим актом о внедрении.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Уральской научно-технической конференции «Физико-химия и технология оксидно-силикатных материалов» (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003г.), на научно-технических конференциях молодых ученых 2004-2005г. (ПГТУ, г. Пермь), на Международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Пермь, 2005г), на IV Международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир, ВГУ, 2005г), на 63-й Международной конференции «Геотехника: актуальные теоретические и практические проблемы» (Санкт-Петербург, 2006г), конференции «Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях» (Уфа, 2006г.).
Публикации.
Основное содержание диссертационной работы отражено в 16 статьях, На конструкцию нагнетаемого несущего элемента получен патент № 52414 от 27.03.2006г.
На защиту выносятся:
1, Разработанная автором конструкция нагнетаемого несущего эле
мента.
2. Основные результаты модельных и натурных экспериментальных
исследований взаимодействия одиночного нагнетаемого несущего элемента с
окружающим грунтовым массивом.
Результаты численного моделирования работы одиночного нагнетаемого несущего элемента, а также элементов совместно с ленточным фундаментом.
Метод расчета несущей способности и осадок одиночных нагнетаемых элементов, а также элементов в составе ленточного фундамента.
Методика расчета усиления грунтовых оснований и оснований ленточных фундаментов реконструируемых зданий нагнетаемыми несущими элементами.
Основные выводы и рекомендации, сделанные на основе анализа выполненных исследований.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7-й глав, общих выводов, 5-й приложений и списка литературы. Работа содержит 220 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 149 наименований российских и зарубежных авторов.
Автор благодарен своему руководителю - д.т.н., профессору Пономареву А. Б. за ценные указания и советы.
За помощь в организации и проведении экспериментальных работ автор благодарит: директора ОАО «ВерхнекамТИСИЗ» Есюнина О. Л., генерального директора ОАО «Трест №7» Орлова Б. В., начальника технического отдела ОАО «Трест №7» Хлопотова С. Н., начальника производственной базы ОАО «Трест №7» Савина В. В., сотрудников кафедры Строительного производства ПГТУ: Захарова А. В., Чудинова К. С.
Усиление оснований фундаментов инъекцией цементных растворов в условиях слабых глинистых грунтов
Метод инъекции цементного раствора в грунт применяется в строительной практике уже около 100 лет. Теоретические и практические основы цементации грунтов нашли отражение в трудах многих ученых: Ю. М. Абе-лева, М. Ю. Абелева, А. А. Бартоломея, Б. В. Бахолдина, В. А. Богомолова, В. A. Быкова, А. Камбефора, В. И. Крутова, И, М. Литвинова, В. В. Лушникова, О. А. Маковецкого, А. П. Малышкина, Б. Н. Мельникова, Э, И. Мулюкова, Л. B. Нуждина, В, И. Осипова, А. И. Полищука, Е. А. Сорочана, А. Н. Токина, Н. А. Цытовича, и др. [2, 16, 61, 62, 65, 77, 82, 87, 88, 89, 91, 92, 93, 94, 96, 97, 99,103,146].
Сущность цементации состоит в том, что через пробуренные скважины в грунт под давлением нагнетают цементный раствор, который после твердения придает грунту прочность. Первоначально область применения этого метода ограничивалась только проницаемыми грунтами - макропористыми, крупнообломочными и трещиноватыми. Каких-либо сведений о возможности применения метода цементации для закрепления связных водонасыщенных грунтов не было. Связные грунты являются практически непроницаемыми для раствора, поскольку их проницаемость настолько мала, что не позволяет ввести какой-либо раствор [68, 89, 116]. Среди критериев, определяющих применимость данной технологии, основными являются гранулометрический состав грунта и его проницаемость. Известно, что теоретический предел использования метода инъекцирования цементного раствора по проницаемости составляет Кф 10м/сут [17]. Что касается дисперсности закрепляемого грун та, то проверка возможности применения растворов на основе цементного вяжущего проводится с использованием критерия где Dm - эффективный диаметр частиц грунта; Ds95 - диаметр частиц, меньше которого в цементе содержится 95 процентов частиц.
При N 11 инъецирование возможно, при 6 N 11 - затруднено, при N 6 - невозможно [93]. Таким образом, при обычной уплотнительной инъекции в связных грунтах метод неэффективен, т. к. цементный раствор неконтролируемо растекается в грунтовом массиве.
Современные технологии позволяют выполнять в связных грунтах напорную, так называемую разрывную инъекцию, которая позволяет заполнять раствором как природные, так и образующиеся при инъекции трещины и разрывы [94, 109]. Наиболее доступным является применение цементно-песчаного раствора. Процесс напорной инъекции (НИ) включает также нагнетание раствора с его кратковременной задержкой в инъекторе для опрес-совки. Для замедления или ускорения процесса твердения растворов используют специальные добавки. При использовании такой технологии цементно-песчаный раствор не растекается в массиве грунта, а удерживается и накапливается в зоне инъецирования. В этом случае процесс напорной инъекции оказывается независимым от проницаемости грунта и подобен процессу расширения скважины при прессиометрическом нагружении [109]. Согласно данным [147] область применения разрывной инъекции ограничена грунтами с показателем текучести (IL) до 0,7.
Метод напорной инъекции получил развитие в трудах В. В. Лушнико-ва, В. А. Богомолова, А. В. Савинова, М. Л. Нуждина, Б. Н. Мельникова, В. И. Осипова, М. Я. Крицкого, А. В. Лубягина и др. Преимуществами метода НИ являются: возможность ведения работ в неблагоприятных грунтовых и стесненных условиях, экологическая чистота всех технологических операций [59,60,94,98,Ю9,П9,121,143].
В последнее время широко рекламируются различные технологии выполнения усиления оснований, в основе которых лежит метод НИ. Одним из наиболее известных является метод «Геокомпозит» [88, 94, 96, 97, 100, 146], позволяющий улучшать прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных грунтов. В данном методе предлагается путем инъекции раствора под высоким давлением устраивать последовательно вертикальную экран-стенку по периметру закрепляемой толщи массива из уплотненного грунта, затем создать в массиве «каркасно-ячеистую структуру» с одновременным обжатием грунта до требуемой плотности. Кроме того, по технологии «высоких давлений» рекомендуется устраивать в грунте полости заданных размеров с одновременным заполнением их твердеющим раствором [99]. Технология «Геокомпозит» основана на применении металлических труб - инъекторов диаметром 48мм с отверстиями диаметром 15мм в нижней части на участке длиной до 3-бм для прокачивания цементно-песчаного раствора. Трубы забивают в грунт или опускают в предварительно пробуренные скважины. Раствор нагнетают при давлении 0,5-2,0 МПа с минимальной скоростью подачи. Таким образом, описанный выше метод можно использовать как для усиления слабых грунтов в основании различных типов фундаментов, так и для повышения несущей способности грунтов. Применение метода не зависит от характера обводненности грунтового массива и его фильтрационных характеристик.
Ибрагимов М. Н. [57] отмечает, что разрывы грунта при использовании инъектора с многометровым перфорированным звеном, происходят, как правило, в зоне расположения отверстий в верхней части инъектора. Разрывы происходят из-за увеличения сопротивления грунта по глубине. В момент разрыва грунта поступление раствора в нижнюю часть инъектора будет замедлено или практически отсутствовать. В нестабильном цементно-песчаном растворе начнется седиментация, которая приведет к закупорке отверстий и всей внутренней полости нижней части инъектора. Это делает практически невозможным прокачку инъектора по всей длине. Количество и направление разрывов в грунтовом массиве не поддаются регулированию. Они развиваются случайным образом.
Аббуд М. [1] отмечает, что необходимым условием реализации метода НИ является развитие высоких давлений разрыва и инъекции. При исследовании инъекции цементных растворов в связные грунты установлены три типа текстур, образующихся в массиве. Для эффективного закрепления связных грунтов оптимальной следует считать текстуру, характеризующуюся отсутствием незаполненных раствором трещин, максимальной толщиной прожилок и существенным уплотнением непропитанного грунта между растворными образованиями.
Нуждин М. Л. и Писаненко В. П. [103, 104, 105, 121] на основе опыта использования метода НИ делают вывод о том, что распространение уплотняющих смесей в грунтовой среде при нагнетании через одиночный инъек-тор носит случайный характер и не поддается описанию и управлению. Эта задача решается с помощью регулирования напряженно-деформированного состояния среды дополнительными «управляющими» инъекционными скважинами. Роль «управляющих» инъекторов играют сами инъекторы и схемы их взаимного расположения и влияния. Линии, соединяющие центры смежных точечных источников нагнетания, будут являться наиболее вероятными направлениями разрывов среды. При этом для фиксации направления плоскости инъецирования минимальное количество источников нагнетания должно быть не менее трех.
Исследование деформированного состояния грунта при изготовлении модели нагнетаемого несущего элемента
Для изучения распределения деформаций в активной зоне нагнетаемого элемента были проведены комплексные эксперименты, в ходе которых удалось определить послойные деформации в активной зоне грунтового массива на различных стадиях нагружения элемента. Исследование деформированного состояния грунта вокруг элемента при его статическом нагружении проводилось при помощи грунтовых марок установленных в лотке по схеме приведенной нарис. 2.10.
Перед началом проведения эксперимента грунт извлекался из лотка, а элемент фиксировался при помощи хомута на высоте, соответствующей глубине заложения. Затем устанавливались грунтовые марки МП-МП8 и одновременно велась послойная укладка грунта в лоток. Струны грунтовых марок МГ1-МП8 заключались в металлические трубки для исключения влияния перемещений вышележащих слоев грунта на показания индикатора часового типа, измеряющего перемещение марки.
Статические испытания модели нагнетаемого элемента проводились согласно требованиям ГОСТ 5686-94 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». Вертикальная нагрузка на элемент передавалась винтовым домкратом равномерно ступенями, но не более 1/10 от ожидаемой предельной нагрузки. От каждой ступени нагружения снимались отсчеты по всем приборам: первый отсчет - сразу после приложения нагрузки, последующие отсчеты - с интервалом в 10 минут до достижения условной стабилизации. За критерий условной стабилизации была принята осадка элемента не более 0,1 мм за последние 30 минут наблюдений. Измерение деформаций проводились индикаторами часового типа ИЧ-10, ИЧ-50 с погрешностью до 0,01 мм. Нагрузка в экспериментах доводилась до предельных значений, вызывающих осадку элемента 12 мм.
Вертикальные деформации грунтового массива при фиксированных ступенях нагружения модели нагнетаемого элемента диаметром 145 мм представлены нарис. 2.11.
Послойные деформации грунтового массива при фиксированных ступенях нагружения модели нагнетаемого элемента диаметром 145 мм приведены на рис. 2.12. Анализ полученных результатов показал, что при статическом нагру-жении модели нагнетаемого элемента непосредственно над ним образуется воронка оседания грунта, размеры которой в плане составляют около 1,0 d. Зона распределения вертикальных деформаций в плане имеет размеры около 3 d, по глубине - более 1,5 d.
Одной из важнейших задач экспериментальных исследований являлось установление закономерности развития осадок модели нагнетаемого несущего элемента. Необходимо было также рассмотреть и сравнить несущую способность и осадки свай, имеющих аналогичную конструкцию. В результате статических испытаний получены графики зависимости «осадка-нагрузка» для моделей нагнетаемого элемента и булавовидной сваи, приведенные на рис.2.13.
Приборы и оборудование для проведения натурных полевых экспериментов
Конструкция натурного нагнетаемого несущего элемента аналогична конструкции модельного элемента (см. гл. 2) и состоит из стержня, выполненного из металлической трубы длиной около 2,0 м, перфорированной с одного конца по длине 0,10-0,20 м, и расширяющейся оболочки. Перфорированная часть трубы заключена в резиновую оболочку. В качестве резиновых оболочек для нагнетаемых элементов использовались толстостенные резиновые мячи. Для предотвращения разрыва резиновых оболочек в грунте, мячи обклеивались прочной тканью в 2-3 слоя с пропиткой каждого слоя клеем. Сопряжение резиновой оболочки со стержнем элемента выполнено при помощи стяжного хомута и герметика (рис. 3.2).
При изготовлении нагнетаемых элементов использовалось следующее оборудование: установка колонкового бурения УКБ 12/25, плунжерный насос НБ 16/25, обсадные металлические трубы 57x3,5 мм длиной 2,5 м, рукава высокого давления (РВД), пригрузочная балка.
Конструкция инъекционной сваи представляла собой перфорированную металлическую трубу 57x3,5 мм. Длина перфорации трубы - 1,0 м. Для предотвращения обратного выхода рабочего раствора, на отверстия перфорации устанавливались резиновые манжеты. Нижний конец инъекционной трубы заваривался на конус. Конструкция инъекционной сваи приведена на рис. 3.3.
Статические испытания элементов и свай производилось при помощи грузовой рамы, гидравлического домкрата грузоподъемностью 2 тонны и динамометра сжатия ДОСМ-3-0,5. Схема установки для испытания инъекционных свай, булавовидных свай и нагнетаемых несущих элементов статической нагрузкой приведена на рис. 3.4.
Грузовая рама выполнена из швеллера № 8 и уголка 50x3. В качестве при-груза использовались железобетонные перемычки: 5ПБ25-37, 5ПБ27-37, 5ПБ30-37, 2ПБ13-1, паребрики. Опоры для грузовой рамы выполнены из железобетонных паребриков. Для обеспечения вертикальности передачи нагрузки на испытываемый элемент, между стержнем элемента (сваи) и домкратом устанавливался специальный переходник. Нагрузка от домкрата на динамометр передавалась через металлический шарик.
Для измерения вертикальной осадки испытываемых элементов и свай использовались индикаторы часового типа ИЧ-50 с ценой деления 0,01 мм, закрепленные на анкерах при помощи струбцин. Передача деформации на индикатор осуществлялась через горизонтальный металлический штырь, прикрепленный к стержню элемента (сваи). Индикаторы часового типа устанавливались на анкерах. Анкер представлял собой стойку, изготовленную из сдвоенного металлического уголка, забитую в землю. После установки анкера грунт вокруг него уплотнялся и проливался цементным молочком для обеспечения неподвижности анкера. Фото экспериментальной установки для проведения статических испытаний нагнетаемых несущих элементов и свай представлено на рис. 3.5.
Для измерения послойных деформаций грунтового массива вокруг нагнетаемого элемента использовались грунтовые марки. Рабочая пластина грунтовых марок изготавливалась из стали толщиной 0,8 мм, в качестве струны использовалась стальная проволока диаметром 0,3 мм. Струны грунтовых марок заключались в алюминиевые трубки для исключения влияния перемещений вышележащих слоев грунта на показания индикатора часового типа, измеряющего перемещение марки. Вертикальные перемещения грунтовых марок измерялись при помощи индикаторов часового типа ИЧ-50 с ценой деления 0,01 мм. Установка марок в грунтовый массив велась в обсадной металлической трубе 21,3x2,0 мм в скважины диаметром 30 мм, пробуренные ручным буром до проектной отметки. После установки грунтовых марок обсадная труба извлекалась из скважины, после чего скважина тампонировалась вынутым из нее грунтом.
После сборки нагнетаемого несущего элемента наружная поверхность расширяющейся оболочки смазывалась индустриальным маслом. Затем элемент помещался в обсадную металлическую трубу 57x3 мм. Обсадная труба погружалась в предварительно пробуренную скважину диаметром 60 мм. Бурение скважин производилось установкой колонкового бурения УКБ 12/25. Глубина бурения скважин - 2,0 м. Погружение элементов производилось только в те скважины, в месте бурения которых в интервале глубин 1,0-2,0 м залегал суглинок текучепластичной и текучей консистенции.
Схема устройства нагнетаемых элементов приведена на рис. 3.6. Процесс изготовления нагнетаемых несущих элементов представлен на рис. 3.7.
Определение несущей способности и осадки натурного нагнетаемого несущего элемента на основе экспериментальных данных
На основании анализа архивных материалов, а также экспериментальных данных, полученных автором, была определена область применения нагнетаемых несущих элементов - слабые глинистые грунты с показателем текучести Ii 0,7. Пользуясь данными полевых экспериментов, приведенных в разделе 3, выведем уравнения S=f(P;d) и Fd=f(d) для натурных нагнетаемых несущих элементов, изготовленных в глинистом грунте. Технология устройства элементов и характеристики глинистого грунта приведены в главе 3 настоящей работы. Форма кривых «нагрузка-осадка» для моделей нагнетаемого элемента и натурного элемента схожи между собой, следовательно, графики функций S=f(P;d) и Fd=f(d) для натурного элемента будут аналогичны по очертанию графикам тех же функций для модельного элемента. Учитывая это, установим для натурного элемента значения S и Fd на основном уровне (см. табл. 4.5, 4.7). С целью получения математической зависимости Fd=f(d) при минимальном количестве опытов был применен метод математического планирования эксперимента с использованием трехуровневого полнофакторного плана.
Условия планирования эксперимента приведены в табл. 4.5. Выходным параметром служила несущая способность натурного нагнетаемого элемента F (кН). Матрица планирования эксперимента и полученные значения выходного параметра приведены в табл. 4.6. где Y несущая способность натурного нагнетаемого элемента , (кН); X] - диаметр натурного нагнетаемого несущего элемента d, (кодир. ед.). Анализ уравнения (4.7) показывает, что при увеличении диаметра нагнетаемого элемента его несущая способность возрастает пропорционально, увеличиваясь при этом на величину свободного члена уравнения. Область применения уравнения ограничена верхним и нижним уровнем входного фактора (см. табл. 4.5), доверительная вероятность уравнения равна 0,95. Допустима экстраполяция полученной зависимости в пределах 10-20% от верхнего и нижнего уровня варьирования входного параметра. Для получения зависимости S=f(P;d) был применен метод математического планирования эксперимента с использованием полнофакторного плана и неполной квадратичной зависимости. Условия планирования эксперимента приведены в табл. 4,7. Уровни и интервалы варьирования назначались на основе проведенных натурных экспериментов. Выходным параметром в экспериментах служила осадка нагнетаемого несущего элемента S (мм). Матрица планирования эксперимента и полученные значения выходного параметра приведены в табл. 4.8. где Y- осадка натурного нагнетаемого несущего элемента S, (мм); Xj - диаметр нагнетаемого несущего элемента d, (кодир. ед.); Х2 - вертикальная нагрузка на нагнетаемый элемент Р, (кодир. ед.). Данное квадратичное уравнение отражает зависимость осадки натурного нагнетаемого несущего элемента от его диаметра и вертикальной нагрузки на него. Область применения уравнения (4.8) ограничена верхним и нижним уровнями входных факторов (см. табл. 4.7), доверительная вероятность уравнения равна 0,95. Допустима экстраполяция полученной зависимости в пределах 10-20% от верхнего и нижнего уровня варьирования входных параметров.
После перехода к натуральным значениям, уравнения (4.7) и (4.8) принимают следующий вид; где Fj - несущая способность натурного нагнетаемого несущего элемента при его устройстве в глинистом водонасыщенном грунте с показателем текучести Іі 0,7, кН; S - осадка одиночного натурного нагнетаемого несущего элемента при его нагружении вертикальной статической нагрузкой Р, мм; d - диаметр натурного нагнетаемого несущего элемента, мм; Р - вертикальная статическая нагрузка на натурный нагнетаемый элемент, кН. Полученные зависимости справедливы для натурных нагнетаемых несущих элементов диаметром 200-600 мм, изготовленных в глинистом водонасыщенном грунте с показателем текучести IL 0,7. Зависимость (4.9), а также экспериментальные данные в графическом виде представлены на рис. 4.3.
