Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Опыт устройства и методы расчёта ограждений котлованов в условиях городской застройки 10
1.1 Методы устройства ограждений котлованов в условиях городской застройки 10
1.1.1 Опыт устройства ограждений котлованов в Санкт-Петербурге 10
1.1.2 Анализ деформаций ограждений котлованов в условиях городской застройки 14
1.2 Применение технологии струйной цементации при устройстве ограждений глубоких
котлованов 17
1.2.1 Основные проблемы при проектировании ограждений котлованов с применением
струйной технологии 23
1.3-Практическиеметодьірасчета Шпун товьїх Ьграждений котлованов 25
1.4 Основная цель и задачи исследования 28
ГЛАВА 2. Взаимодействие грунтоцементных конструкций и конструкций ограждения котлованов 31
2.1 Оценка влияния грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения
котлованов численными методами 31
2.1.1 Исходные данные 33
2.1.2 Оценка влияния толщины вертикальных грунтоцементных конструкций на деформации ограждения 35
2.1.3 Оценка влияния длины вертикальных грунтоцементных конструкций на деформации ограждения 39
2.2 Численное моделирование работы ограждения котлована в условиях городской застройки с учётом грунтоцементных конструкций 41
2.2.1 Исходные данные для расчёта 41
2.2.2 Результаты численного моделирования 45
2.3 Выводы по главе 47
ГЛАВА 3. Экспериментальная оценка влияния грунтоцементных конструкций на окружающий массив грунта 50
3.1 Краткая характеристика экспериментальной площадки 50
3.1.1 Общая геотехническая ситуация 50
3.1.2 Инженерно-геологические условия 53
3.2 Экспериментальная оценка влияния струйной технологии на механические характеристики окружающего массива грунта 57
3.2.1 Основная цель, задачи и методика проведения эксперимента 57
3.2.2 Результаты проведённого эксперимента 64
3.2.1 Проверка неизменности вида грунта по номограмме Робертсона 74
3.3 Экспериментальная оценка механических характеристик грунтоцемента 77
3.3.1 Основная цель и методика проведения исследований 77
3.3.2 Обработка результатов испытаний образцов 80
3.4 Результаты экспериментальных наблюдений за перемещениями ограждения
3.4.1 Методика проведения наблюдений 89
3.4.1 Результаты и анализ натурных наблюдений 92
3.5 Выводы по главе 95
ГЛАВА 4. Рекомендации по применению и проектированию грунтоцементных конструкций при устройстве глубоких котлованов в условиях слабьгх грунтов 98
4.1 Общие положения 98
4.2 Конструктивные решения ограждающих грунтоцементных конструкций 100
4.3 Методика назначения характеристик грунтоцемента и окружающего массива грунта 102
4.4 Особенности расчёта ограждающих грунтоцементных конструкций в условиях слабых грунтов 104
Заключение 105
Список литературы 107
- Анализ деформаций ограждений котлованов в условиях городской застройки
- Оценка влияния толщины вертикальных грунтоцементных конструкций на деформации ограждения
- Экспериментальная оценка влияния струйной технологии на механические характеристики окружающего массива грунта
- Конструктивные решения ограждающих грунтоцементных конструкций
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В связи с интенсивным развитием строительной техники и технологий, расширение городов и мегаполисов происходит как «вверх» (увеличение этажности зданий) так и «вниз» (активное использование подземного пространства). Строительство новых зданий производится не только на незастроенных территориях, но и в условиях городской, исторически сложившейся застройки. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга освоение подземного пространства всегда является сложной задачей, поскольку с поверхности и до глубины порядка 20-40 м залегают слабые водонасыщенные пылевато-глинистые грунты. Особенностью указанных грунтов является проявление тиксотропных свойств – при техногенном воздействии такие грунты переходят в текучее состояние, и приобретают свойства вязкой жидкости. Угол внутреннего трения и сцепление таких грунтов становятся близким к нулю, что ведёт за собой увеличение активного давления на ограждение котлована более чем в 2 раза.
Как установлено практическим опытом, зона влияния нового строительства на здания окружающей застройки составляет 30 м и более, таким образом, одним из требований к проекту ограждения котлована должны быть требования по деформативности конструкции ограждения, так как дополнительные осадки зданий окружающей застройки в основном зависят от горизонтальных деформаций конструкции ограждения котлованов. В сложных инженерно-геологических условиях одной из причин возникновения значительных горизонтальных перемещений ограждений котлованов может служить расструктуривание грунтов при вибрационном воздействии. Расструктуренные грунты могут в некоторых случаях приобретать вид вязкой жидкости, что в свою очередь приводит к увеличению активного давления на подпорную стенку. В этом случае следует предусматривать устройство превентивных мероприятий по закреплению основания существующих фундаментов, либо выбор «щадящей» технологической схемы производства работ.
В последние годы в крупных городах, в частности в Санкт-Петербурге, строятся здания с развитым подземным пространством, что требует устройства котлованов большой глубины и объёмов. Ограждение таких котлованов может быть выполнено (на основе технико-экономического расчёта) с использованием различных конструкций и технологий, в том числе ранее мало применяемых.
К таким ограждениям относятся и конструкции, выполненные из грунтоцемента по технологии струйной цементации. Учёт работы таких конструкций при вскрытии котлована, в том числе в случае необходимости увеличения жёсткости уже существующих ограждений из металлического шпунта является актуальной и малоисследованной задачей проектирования подземных сооружений. При этом также необходимо учитывать воздействие струйной технологии на окружающий массив грунта и подземную часть сооружения в целом.
Степень разработанности темы исследования.
Как показывает опыт строительства в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и городской застройки, одной из причин возникновения дополнительных деформаций существующей застройки вблизи котлованов является развитие горизонтальных перемещений ограждения котлованов. Влияние устройства котлованов в условиях городской застройки отражено в работах Н. С. Никифоровой, В.В. Семенюк-Ситникова, В.А. Ильичева, О.А. Шулятьева, Р.А. Мангушева, И.В. Колыбина, В.П. Петрухина, О.А. Мозгачевой, В.М. Улицкого, С.И. Алексеева, В.А. Васенина, П.А. Коновалова, Burland J. B., Standing J. R., Jardine F. M., Moormann Ch., Moormann H. R. и др. Методы расчёта ограждений котлованов аналитическими и численными методами, а также применимости различных моделей поведения грунтов достаточно широко освещены в работах многих исследователей (А. Я. Будин, Г. К. Клейн, В.Н. Парамонов и др.).
Н.С. Никифоровой (2008) разработана методика расчёта осадок зданий окружающей застройки с учётом различных факторов, в том числе типа ограждающей конструкции. По ее предложениям, зависимость дополнительных перемещений ограждения котлована может быть выражена в общем виде следующим образом: . Очевидно, что для снижения деформаций зданий существующей застройки вблизи глубоких котлованов следует выбирать конструкции ограждения с высокими жесткостными характеристиками, либо предусматривать распорную или анкерную системы, с той целью, чтобы минимизировать горизонтальные перемещения ограждения. Н.С. Никифоровой разработана методика расчёта осадок зданий окружающей застройки с учётом различных факторов, в том числе типа ограждающей конструкции.
Одним из эффективных методов снижения горизонтальных деформаций может служить применение технологии струйной цементации, как для устройства грунтоцементных ограждений, так и для закрепления грунтов с внешней стороны ограждения и ниже дна котлована. Так, в работах В.А. Ильичёва и Ю.А. Готмана (2011) предложен следующий метод снижения горизонтальных деформаций ограждений котлованов: с внешней стороны ограждения котлована устраиваются грунтоцементные массивы, размеры которых определяются исходя из разработанного автором алгоритма. Грунтоцементные массивы располагаются в зонах с наибольшими деформациями грунтового массива, получаемыми по расчёту. Указанные грунтоцементные массивы снижают горизонтальные перемещения за счёт закрепления грунта и за счёт перераспределения активного давления между ограждением и грунтоцементными массивами.
В практике строительства также часто применяются горизонтальные диафрагмы (распорные диафрагмы), устраиваемые ниже дна котлована. Как правило, такие диафрагмы в большинстве случаев используются в качестве противофильтрационных завес, тогда как распорные конструкции по исследованиям А.Г. Малинина (2009) практически не «работают».
Анализ литературных источников и опытных данных показывает, что при проектировании и устройстве грунтоцементных ограждающих конструкций, как в «чистом виде», так и комбинированного типа, существует ряд проблем, требующих проведения экспериментально-теоретических исследований:
Геометрические размеры конструкций, как правило, назначаются ориентировочно и уточняются после проведения опытных работ. Можно выделить две методики теоретического определения диаметра грунтоцементной сваи. Первая учитывает гидродинамические особенности струи и зависит от большого числа параметров (И.И. Бройд, 2004) (давления подачи раствора, скоростей подъёма и вращения монитора, диаметров насадок, плотности раствора и др.). Вторая методика основывается на зависимости диаметра размываемой полости от характеристик грунта (удельного сцепления) и некоторых технологических параметров струйной цементации (А.Г. Малинин, 2010) – давление подачи и расход раствора, скорость подъёма монитора.
Физико-механические характеристики грунтоцемента: в связи с большим разбросом значений прочностных характеристик при испытании возникает ряд вопросов: какие значения следует принимать в расчётах при наличии испытаний? Является ли грунтоцементная конструкция сплошным и однородным телом (квазиоднородным)?
Методика определения прочности грунтоцемента рассмотрена в работе А.В. Чернякова (2011), где автор предлагает прочность грунтоцемента определять как прочность бетона на песчаном заполнителе (раствора) с учётом некоторых допущений.
Однако основной проблемой при определении прочностных характеристик грунтоцемента является точная оценка количества цемента, содержащегося в единице объёма обработанного грунта.
Указанная методика справедлива при обеспечении сплошности всей конструкции, так как при устройстве грунтоцементных конструкций зачастую не обеспечивается сплошность, т.е. в составе грунтоцемента возможны включения необработанного грунта.
Обеспечивается ли совместная работа и следует ли учитывать характеристики грунтоцемента в составе такой конструкции? Насколько эффективная такая конструкция?
Цель и задачи исследования.
Цель исследования – оценка влияния грунтоцементных конструкций, выполненных по технологии струйной цементации, на деформируемость ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов; разработка рекомендаций по проектированию грунтоцементных ограждающих конструкций глубоких котлованов в условиях городской застройки и слабых грунтов.
Объект исследования – грунтоцементные конструкции в составе ограждения комбинированного типа.
Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние ограждения комбинированного типа в составе грунтового основания.
Задачи исследования:
-
проведение обработки и обобщения экспериментальных данных для оценки изменения характеристик окружающего массива грунта при применении технологии струйной цементации;
-
обоснование эффективности применения вертикальных грунтоцементных конструкций в составе ограждения комбинированного типа численными методами;
-
проведение обработки и анализа результатов лабораторных испытаний механических характеристик грунтоцемента, полученного при применении технологии струйной цементации, для оценки их влияния на деформируемость ограждения котлована;
-
сопоставление результатов численного моделирования и натурных измерений горизонтальных перемещений ограждения котлована;
-
разработка рекомендаций по применению ограждения комбинированного типа (с учетом грунтоцементных конструкций) в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов при устройстве глубоких котлованов.
Научная новизна исследования:
-
теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций;
-
на основе экспериментальных данных определена зона влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве вертикальных грунтоцементных элементов;
-
по результатам статистической обработки испытаний грунтоцементных образцов получены зависимости для оценки расчётных механических характеристик грунтоцемента;
-
натурными экспериментами подтверждена эффективность применения грунтоцементных конструкций при устройстве ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработаны принципы проектирования ограждений комбинированного типа, выполненных с применением грунтоцементных конструкций, при устройстве глубоких котлованов в условиях городской застройки; предложена методика назначения механических характеристик грунтоцемента. Результаты исследования позволили в оперативном режиме увеличить жёсткость уже готового шпунтового ограждения при устройстве котлована большого объёма и обеспечить сохранность зданий окружающей застройки.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и получили частичное отражение в учебном пособии для студентов строительных вузов «Методы подготовки и устройства искусственных оснований».
Методология и методы исследования.
Методы исследования:
-
анализ литературных источников по устройству ограждений котлованов с применения технологии струйной цементации;
-
оценка влияния параметров грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения котлована с применением численных методов;
-
численное моделирование напряжённо-деформированного состояния ограждения котлована в условиях городской застройки (на примере реального объекта строительства в г. Санкт-Петербург);
-
проведение натурных экспериментов по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта и по определению механических характеристик грунтоцемента на площадке строительства;
-
анализ данных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения на экспериментальной площадке;
-
сопоставление результатов проведённых экспериментов с результатами численного моделирования.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твёрдого и деформируемого тела, математической статистики; обеспечивается достаточным объёмом экспериментальных исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных и оборудовании, а также внедрением результатов работы на реальном объекте.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на четырёх научно-технических конференциях (СПбГАСУ, 2009-2012) и получили отражение в семи научных публикациях, две из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 116 наименований, и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 134 страницы машинописного текста. Работа содержит 52 рисунка и 10 таблиц.
Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, её научной новизне, установленной практической значимости диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 7 «Разработка новых методов расчёта, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций»; пункту 10 «Разработка научных основ и основных принципов обеспечения безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и др.».
Анализ деформаций ограждений котлованов в условиях городской застройки
Как показывал практический опыт устройства ограждений котлованов в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурге, основными проблемами при выполнении ограждений из касательных или секущихся свай вблизи существующих зданий зачастую является избыточная выемка грунта ниже забоя скважины и динамическое воздействие при разбуривании смежных свай, фильтрация подземных вод через стыки свай, что вызывает сверхнормативные дополнительные осадки фундаментов зданий. Примером может служить строительство гостиницы на Невском пр., д. 57. Ограждение котлованов было устроено в виде секущихся свай длиной 21 м сечением 800 мм. Устройство свай производилось под защитой обсадной трубы. Примыкающие здания получили осадку около 20 см, вследствие чего были разобраны, окружающая застройка также получила значительные деформации, что привело к необходимости расселения домов [64, 94].
В Санкт-Петербурге одним из первых удачных опытов по устройству глубоких котлованов является строительство торгового центра «Атмосфера» на Комендантской пл. [64, 94]. Диаметр сооружения составляет 78 м, глубина- 19,5 м, соседняя застройка располагалась на расстоянии около 50-100 м, так что сооружаемый котлован влияния на жилые здания не оказывал. Ограждение котлована было выполнено в виде траншейной «стены в грунте» под защитой бентонито-цементного раствора. В разработанную траншею погружался полукруглый металлический шпунт, который служил дополнительным элементом армирования и дополнительной гидроизоляцией. Инклинометрические измерения, проведенные на площадке, позволили отследить перемещения ограждения по глубине. Максимальное смещение составило порядка 250 мм на глубине 15 м [64]. В условиях городской застройки применение такого типа ограждения может оказаться неэффективным. Таким образом, ограждение в виде траншейной «стены в грунте» в условиях городской застройки следует применять с учётом дополнительных мероприятий по снижению горизонтальных деформации ограждения (устройство контрфорсов, закрепление грунта ниже дна котлована, раскрепление с помощью системы распорок, анкеров, плит перекрытий и др.).
В зарубежной практике строительства хорошо зарекомендовали себя ограждения типа «стена в грунте», выполняемые по струйной и буросмесительной технологиям [58]. Буросмесительная технология (Soil Mix Wall) для устройства ограждений применяется за рубежом в различных инженерно-геологических условиях, в России её применение сдерживается отсутствием оборудования у производственных компаний и нормативной литературы. Устройство ограждений по струйной технологии из пересекающихся грунтоцементных свай выполнялось во многих городах России при глубине котлованов порядка 8-10 м [36, 62, 76, 77, 98]. Как правило, при глубине котлована более 5-8 метров по высоте ограждения устраивается анкерное крепление (один и более рядов) [36, 62]. В силу специфических инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга устройство анкерного крепления котлованов в условиях городской застройки технически не реализуемо, так как прочные слои грунтов залегают на значительной глубине (20-40 м).
Несмотря на широкое применение струйной цементации для устройства ограждений котлованов, в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга струйная технология применялась, как правило, для устройства горизонтальных и вертикальных противофильтрационных завес при ремонте инженерных сетей и усилении оснований под фундаментами существующих зданий [35, 93, 94]. Полномасштабное применение струйной технологии при устройстве ограждения котлованов в г. Санкт-Петербург было выполнено при строительстве второй сцены Государственного академического Мариинского театра (ГАМТ-2) [67, 96]. В качестве ограждения котлована первоначально использовался металлический шпунт Arcelor AU18. До начала разработки основного котлована было решено устроить опытную площадку для оценки влияния принятого проектного решения на окружающую застройку. По данным комплексного мониторинга, проведенного под руководством к. т. н. В. А. Васенина [95], в процессе производства работ по устройству временных свай и откопки опытного котлована здания окружающей застройки на расстоянии 15 м получили деформации свыше 30 мм, перемещение ограждения в сторону опытного котлована составило около 160 мм [64, 67, 69, 95].
Для снижения горизонтальных деформаций шпунтового ограждения при разработке основного котлована с внешней стороны по периметру котлована была устроена комбинированная стена в грунте из пересекающихся грунтоцементных свай. Наружный ряд свай армировался прокатными двутавровыми балками, шпунт и двутавровые балки объединялись по верху железобетонной балкой Ниже дна котлована производилось устройство горизонтальной грунтоцементной диафрагмы из цилиндрических грунтоцементных элементов, что в совокупности позволило минимизировать горизонтальные смещения ограждения и деформации окружающей застройки.
Основными проблемами при устройстве подземных сооружений большого объёма в условиях городской застройки являются деформации окружающей поверхности, а как следствие и деформации зданий окружающей застройки. В условиях исторической застройки Санкт-Петербурга на слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах деформации основания жёстко ограничены территориальными нормами [27] (максимальная величина дополнительных деформаций составляет 5 см). Исследование деформаций зданий вблизи глубоких котлованов широко представлено в работах Н. С. Никифоровой [72-77], В.В. Семенюк-Ситникова [83], BuriandJ. В., Standing J. R. и Jardine F. М. (2001) и др. Установлено, что деформации окружающей поверхности зависгт от ряда факторов: инженерно-геологических и гидрологических условий, методов устройства подземных сооружений, жёсткости ограждения и типа распорной системы. На основе результатов теоретических и полевых исследований были выведены взаимосвязи деформаций окружающей поверхности от параметров котлована (размеры, глубина и др.).
Оценка влияния толщины вертикальных грунтоцементных конструкций на деформации ограждения
Рассматриваемая площадка строительства второй сцены Государственного академического Мариинского театра (ГАМТ-2) расположена в центральной части г. Санкт-Петербург, между наб. Крюкова канала и Минским пер., справа и слева ограничена ул. Декабристов и ул. Союза Печатников (рисунок 3.1). Окружающая застройка представлена жилыми зданиями малой этажности старой постройки. Фундаменты зданий выполнены из бутового камня и устроены на естественном основании. Котлован представляет собой прямоугольную трапецию (рисунок 3.3) с размерами 82x67x159 м. на 5 зон, которые, в свою очередь, разделены на участки (рисунок 3.6). Разработка котлована осуществлялась путём разработки отдельных участков (захваток) по технологии «top-down».
На момент проведения исследований на строительной площадке ГАМТ-2 велись работы по устройству верхних и нижних ярусов железобетонных перекрытий, опирающихся на буровые сваи, глубина разработки котлована при этом составила 2/3 от проектной глубины (рисунок 3.2). По контуру котлована было устроено ограждение из металлического шпунта Arcelor AU18, с наружной стороны шпунта устроена стена в грунте по технологии струйной цементации (jet-grouting). Поверху шпунта и стены в грунте была устроена железобетонный обвязочный пояс.
Железобетонная обвязочная балка (а) и производство работ по разработке котлована(б) В результате горизонтальных смещений ограждения котлована до устройства стены в грунте здания по Минскому пер. получили наибольшие дополнительные осадки фундаментов и повреждения несущих конструкций. Вследствие этого производилось усиление фундаментов этих зданий буроинъекционными сваями совместно с компенсационной инъекцией основания [64, 67, 69].
Схема котлована (а) и ґрунтоцементная стена в грунте (б); 1... 5л - наименование зон и участков котлована; 6 - металлический шпунт; 7 - грунтоцементные сваи; 8 армирующий элемент (двутавр)
Ниже дна котлована была устроена горизонтальная ґрунтоцементная диафрагма (ГЦД). В плане ГЦД повторяет контур котлована, внутри её располагаются три участка грунта природного сложения (участки 1, 2, 3) и две «перемычки» из грунтоцемента шириной 12,8 и 16,2 м (участки 4, 5). Диафрагма выступала в качестве распорной плиты, которая должна препятствовать возникновению горизонтальных перемещений ограждения ниже проектной отметки дна котлована.
Техногенные отложения tglV (ИГЭ-1), мощностью 1,5-3,4 м, представленные насыпными грунтами со строительным мусором, перемешанным с песками и супесями. По давности отсыпки техногенные грунты отнесены к слежавшимся. Подошва техногенных образований отмечена на абсолютных отметках [+0,940] - [-0,390] м.
Послеледниковые (озерно-морские) отложения, т,1 IV, представлены песками пылеватыми (ИГЭ-2) и суглинками пылеватыми (ИГЭ-3). Во всей толще озерно-морских отложений обнаружено наличие растительных остатков.
Насыпные грунты подстилают пески пылеватые, слюдистые, серого, коричневато-серого цвета, насыщенные водой, средней плотности сложения, (ИГЭ-2). В толще песков пылеватых отмечены прослойки супеси пылеватой, в кровле местами иловатой. Мощность песков составляет 2,4-4,5 м. Пылеватые пески, на глубине 4,2-6,2 м (абс. отм. кровли [-2,060] - [-4,700] м), подстилаются суглинками пылеватыми, с примесью органических веществ, серого цвета, текучие (ИГЭ-3). Мощность суглинков составляет 1,2-2,0 м. Подошва послеледниковых отложений вскрыта на глубине 6,2-7,8 м (абс. отм. [-3,750] - [-6,500] м).
Озёрно-ледниковые отложения балтийского ледникового озера lg ПІ b, представлены суглинками пылеватыми ленточными текучей консистенции (ИГЭ-4). Окраска суглинков в вертикальном разрезе изменяется от серого до коричневого цвета. Мощность суглинков составляет 3,4-8,3 м, подошва суглинков обнаружена на глубине 11,2-15,0 м (абс. отм. [-8,400] - [-11,990] м).
Ледниковые отложения лужской морены gill lz представлены супесями пылеватыми, с линзами песка (ИГЭ-5), супесями пылеватыми (ИГЭ-7а), суглинками легкими пылеватыми (ИГЭ-6, ИГЭ-7), с включениями гравия и гальки кристаллических пород.
В кровле ледниковой толщи вскрыты супеси песчанистые, с гравием, пластичной консистенции (ИГЭ-5). Мощность слоя рассматриваемых супесей составляет 0,7-4,9 м, распространены они до глубины 15,5-19,3 м (абс. отм. [-12,690]-[-16,290] м).
Преобладающими элементами в моренной толще являются суглинки легкие пылеватые, с линзами и прослоями песка разной крупности, насыщенного водой, тугопластичной консистенции (ИГЭ-6), мощностью 1,7-9,3 м. Подошва суглинков вскрыта на глубине 20,9-25,7 м (абс. отм. [-17,20] - [-22,690] м). Слои суглинков (ИГЭ-6) подстилают суглинки легкие пылеватые, зеленовато-серые, с линзами и прослоями песка и щебнем песчаника, полутвердой консистенции (ИГЭ-7), мощностью 0,9-6,1 м.
В одной скважине встречены супеси пылеватые, серые, с валунами, полутвердые (ИГЭ-7а), мощностью 1,7 м.
Коренные отложения вендского комплекса верхнекотлинской подсвиты, Vkt2, представленных голубовато-серыми, зеленовато-серыми и голубовато-зелеными пылеватыми глинами, кровля которых вскрыта на глубине 22,4-28,0 м (абс. отм. [-20,900] - [-25,350] м).
Верхний слой коренных глин до глубины 27,2-32,7 м (абс. отм. [-24,560] - [-29,690] м) представлен дислоцированными глинами, с включениями редкого гравия (ИГЭ-8). Дислоцированные глины подстилаются глинами пылеватыми твердыми плитчатыми (ИГЭ-9). Пройденная мощность коренных глин составляет 2,4-10,8 м.
Физико-механические характеристики грунтов представлены в табл. 3.1.
Гидрогеологические условия представлены одним водоносным горизонтом безнапорных грунтовых вод со свободной поверхностью.
Грунтовые воды приурочены к подошве техногенных образований, слою пылеватых песков и пылевато-песчаным прослойкам в озерно-ледниковых суглинках. В толще ледниковых суглинков в прослоях песка (на глубине 14,0 м) и в прослоях разрушенного песчаника в дислоцированных протерозойских глинах (на глубине 29,0 м) встречены напорные воды, имеющие локальное распространение. Уровень напорных вод ледниковых отложений установился на глубине 0,9 и 15,0 м, величина напора составила 13,1 м и 9,0 м, уровень протерозойских вод установился на глубине 9,5 м (абс. отм. [-6,600] м), величина напора равна 19,5 м.
Экспериментальная оценка влияния струйной технологии на механические характеристики окружающего массива грунта
Сопоставление толщины грунтоцементной конструкции и расположения опытных площадок позволяет сделать вывод о размерах зоны влияния технологии струйной цементации при устройстве свай. Так как на площадке №3 изменений не наблюдалось, то границей влияния струйной технологии на окружающий массив грунта можно принять площадку №2, находившуюся на расстоянии 3,3 м от внешней грани ограждения. При толщине ґрунтоцементного ограждения 1,3... 1,5 м размер зоны влияния может назначаться как 2...2,5D, где D - толщина (диаметр) грунтоцементной конструкции.
Увеличение механических характеристик грунтов объясняется некоторыми особенностями технологии струйной цементации, а именно эффектом «клакажа»: при устройстве грунтоцементной сваи излив пульпы происходит через затрубное пространство (пространство между стенкой скважины и штангой буровой колонны), при этом возможна закупорка скважины пульпой вязкой консистенции, что приводит к повышению давления внутри размываемой полости. В результате в окружающем грунте возникают гидроразрывные трещины, которые заполняются цементным раствором. В данном случае массив грунта вокруг сваи получает непроизвольное гидроразрывное армирование в виде полосок из грунтоцемента различной толщины, что также подтверждено при откопке котлована площадке строительства (рисунок 3.18). На рисунке представлена фотография грунтового массива, армированного грунтоцементными полосками, вскрытого при откопке котлована до грунтоцементной диафрагмы, располагающейся на глубине 12,0...-14,0 м. Вышележащая толща грунтов представляла собой массив грунта с прослойками ґрунтоцементного раствора. Рисунок 3.18. Массив грунта (а, б), армированный полосками грунтоцемента при устройстве диафрагмы ниже дна котлована
Проверка неизменности вида грунта по номограмме Робертсона Контроль неизменности вида грунта на опытных площадках выполнялся для каждого инженерно-геологического элемента.
Номограмма Робертсона позволяет приближенно определять наименование грунта в зависимости от параметров зондирования. В таблице 3.6 показаны зоны, соответствующие тому или иному виду грунтов. Таким образом, исследуемые грунты на опытной площадке не изменили своего вида, что говорит о возможности сравнения исходных данных зондирования и полученных значениях.
Основная цель и методика проведения исследований Целью эксперимента является определение механических характеристик грунтоцемента, отобранного из ограждения котлована и из диафрагмы ниже дна котлована, непосредственными испытаниями. Работы по исследованию прочностных и деформативных характеристик ґрунтоцементних конструкций, выполненных по технологии струйной цементации, выполнялись на объекте ГАМТ-2 силами производственных организаций (КБ «ВиПС», ООО «Космос СПб») и силами специализированных организаций (ПНИИС).
Для контроля качества и геометрических параметров грунтоцементной стены в грунте был проведен отбор образцов грунтоцемента из тела стены в грунте. Отбор образцов производился на абс. отметках -4,00 и -11,0м по периметру котлована через каждые 20 м. Для этого в металлическом шпунте вырезалось технологическое отверстие размером 80x80 мм, к которому приваривалась пластина с патрубком и шаровым краном (при необходимости).
Материалы предоставлены ОАО «КБ ВиПС» Шаровой кран использовался при наличии обильного водопритока, наличие напорных вод предварительно определялось прощупыванием стальным щупом через отверстие диаметром 5-10 мм в точке бурения. Бурение через патрубок производилось малогабаритным станком алмазного бурения «HILTI», выбуренные керны упаковывались в полиэтиленовую плёнку в соответствии с
Материалы предоставлены ОАО «КБ ВиПС» Рисунок 3.25. Вид упакованных кернов Оценка качества горизонтальной диафрагмы, расположенной ниже дна котлована, выполнялась как непосредственными испытаниями с отборами образцов методом колонкового бурения с поверхности котлована до его откопки и методом алмазного бурения с поверхности диафрагмы после откопки котлована, а также косвенными методами - электрическим каротажем и ультразвуковым просвечиванием [89]. Испытание кернов производилось также в лаборатории ИЦ «Прочность» ПГУПС в соответствии с ГОСТ 10180-90, ГОСТ 18105-86, ГОСТ 24452-80, ГОСТ 28570-90.
После проведения испытаний выбуренных образцов в лабораторных условиях были получены значения прочности на одноосное сжатие. Всего было испытано 253 шт. для образцов грунтоцемента, соответствующих залеганию песков гтылеватых (на отметке -4,000 м), и 288 шт. - соответствующих залеганию суглинков текучих и супесей пластичных (на отметках -11,000 м и -12,000 м). При испытании части образцов в количестве 250 шт. помимо показателей прочности на сжатие также фиксировались соответствующие им значения модуля деформации грунтоцемента. Значения прочности изменялись в широких интервалах - от 0,3 до 29 МПа. В связи с этим все значения прочности грунтоцемента распределялись по интервалам (рисунок 3.26, рисунок 3.27), после чего производилась статистическая обработка результатов испытаний.
Конструктивные решения ограждающих грунтоцементных конструкций
Расчёт ограждений комбинированного типа рекомендуется производить методами численного моделирования по следующим схемам:
1. Расчётная схема в виде условной балки. Сечение ограждения рассматривается как условная балка, ширина которой определяется как расстояние между осями несущих элементов. Грунтоцемент рассматривается как матрица, которая обеспечивает позиционирование «арматуры» в сечении балки. Геометрические параметры армирующих элементов рекомендуется назначать равными характеристикам шпунта (на 1 пог. м.) для того, чтобы нейтральная ось условной балки проходила по центру балки. В случае, если геометрические характеристики армирующих элементов принимаются отличными от шпунта, то положение нейтральной оси и геометрические характеристики всей балки определяются стандартными методами сопротивления материалов.
2. Расчётная схема с учётом характеристик грунтоцемента. Расчёт по такой схеме следует производить при наличии данных о механических и деформационных характеристиках грунтоцемента, полученных опытным путём. В таком случае всё ограждение моделируется двумя элементами типа «плита» с приведёнными геометрическими характеристиками, пространство между ними «заполняется» материалом с условными характеристиками грунтоцемента (Всж,Е).
1. На основе результатов численного моделирования установлено, что применение грунтоцементных конструкций в составе существующего ограждения позволяет увеличить жёсткость ограждения и снизить горизонтальные перемещения ограждения в 2-3 раза по сравнению со шпунтовым ограждением.
2. В случаях, когда характеристики грунтоцемента неизвестны, расчёт ограждений комбинированного типа возможно производить без учёта механических характеристик грунтоцемента, т.е. грунтоцемент можно рассматривать как матрицу, которая обеспечивает позиционирование несущих элементов (шпунта и армирующих элементов) в теле условной балки.
3. На основе проведённых полевых экспериментов установлено, что при устройстве грунтоцементных конструкций с применением технологии струйной цементации в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов механические и деформационные характеристики окружающего массива грунта увеличиваются на 25-30% по сравнению с исходными характеристиками. Повышение характеристик грунтов происходит за счёт эффекта «клакажа» - инъекции части раствора в окружающий массив при кратковременной закупорке скважины изливающейся пульпой. Изменение характеристик наблюдается на расстоянии 2...2,5D (D -толщина конструкции) от грани ограждения, что рекомендуется учитывать в расчётах.
4. По результатам статистической обработки лабораторных испытаний образцов грунтоцемента от его прочности на сжатие. определены значения прочности на сжатие для расчётов по первой и второй группам предельных состояний, а также зависимость модуля деформации грунтоцемента Указанные значения и зависимости получены для песков пылеватых, супесей пластичных и суглинков текучих, характерных для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга.
5. Установлено, что в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов прочность на сжатие грунтоцемента не зависит от вида грунта, что обусловлено выносом большей части агрегатов грунта на поверхность грунтоцементной пульпой. Значения прочности грунтоцемента практически равны прочности цементного камня при соответствующем водоцементном отношении. Отсюда следует вывод, что в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов возможно получение прогнозируемых прочностных показателей грунтоцемента, равных прочности цементного камня, однако для эффективности работы грунтоцементных конструкций в целом необходимо обеспечить сплошность тела конструкций (т.е. обеспечить заданный диаметр свай).
6. Сопоставление результатов численного моделирования и экспериментальных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения котлована показало, что максимальные горизонтальные перемещения ограждения при откопке грунта до отметки дна котлована (глубиной 12,0 м) не превысили расчётных значений, полученных без учёта характеристик грунтоцемента.
