Взаимодействие буроинъекционных свай, имеющих контролируемое уширение, с пылевато-глинистым грунтовым основанием Самохвалов Михаил Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день в Российской

федерации существует большое количество зданий и сооружений (в том числе

объектов культурного наследия), которые нуждаются в реконструкции, реставрации и

модернизации в соответствии с современными требованиями, которые

регламентирует освоение подземного пространства таких зданий с целью размещения

в них объектов социальной и инженерной инфраструктуры. Все они, как правило,

расположены в стесннных условиях центральной части городской застройки, в

сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, в основании

которых залегают пылевато-глинистые грунты. В связи с этим, разработка

эффективного и наджного способа усиления ленточных фундаментов с уплотнением

грунтового основания является актуальной темой исследования. В настоящей

работе предлагается новый способ устройства буроинъекционной сваи по манжетной

технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» (в том числе повторной)

и контролируемым уширением на конце, направленный на качественное и

эффективное уплотнение грунтового основания под ленточным фундаментом,

включением его в работу до приложения полезной нагрузки, значительным

повышением несущей способности, а также наджной локализации большей части

раствора в околосвайном грунтовом массиве.

Степень разработанности темы исследования. В разное время развитию способов усиления фундаментов и искусственному улучшению строительных свойств грунтового основания посвящены научно-исследовательские работы: М.Ю. Абелева, Н.Н. Баранова, А.А. Бартоломея, Б.В. Бахолдина, В.А. Богомолова, М.Д. Бойко, Х. Брандль, И.И. Бройда, В.Н. Бронина, А.К. Бугрова, Ю.Л. Винникова, И.А. Ганичева, Э.М. Генделя, Я.Д. Гильмана, Л.К. Гинзбурга, Л.В. Гончарова, А.Л. Готмана, Н.З. Готман, Б.И. Далматова, Г.О. Дегеля, Х.А. Джантимирова, В.А. Ермолаева, А.В. Есипова, Г.Н. Жинкина, Ю.В. Зазули, В.А. Зурнаджи, М.Н. Ибрагимова, С.В. Иконина, В.А. Ильичева, П.А. Коновалова, В.В. Лушникова, О.А. Маковецкого, А.Г. Малинина, А.П. Малышкина, А.И. Мальганова, Р.А. Мангушева, Э.И. Мулюкова, А.А. Никифорова, Л.В. Нуждина, И.М. Омельчака, В.И. Осипова, А.И. Осокина, В.Н. Парамонова, Е.М. Перлея, В.П. Петрухина, А.А. Петухова, А.И. Полищука, А.Б. Пономарева, Б.А. Ржаницына, А.Г. Ройтмана, И.И. Сахрова, Е.А. Сорочана, С.Н. Сотникова, В.Е. Соколовича, Н.И. Страбахина, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.М. Улицкого, С.Б. Ухова, В.И. Феклина, В.Б. Швеца, А.Г. Шашкина, О.А. Шулятьева, Г.И. Швецова, А.П. Хамова, С.В. Ющубе, M. Bustamante, W. Cambefort, B. ernk, T. Cielenkiewicz, A. Evangelista, F. DvoakH, K. Frt, G.W. Jaworski, F. Lizzi, P. Marinos, H. Muhra, H.G. Poulos, E. Valeri, H. Wiechers, Wittke W. и многих др. В работах данных авторов приведено большое количество классификаций способов усиления в зависимости от конструктивных особенностей здания, типов фундаментов, действующих нагрузок, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, а также причин, вызывающих необходимость усиления. Для современного решения данной проблемы вс чаще находят применение так называемые «щадящие технологии», позволяющие производить работы из подвалов зданий в стесннных условиях без механических и ударных воздействий в практически любых грунтовых

условиях без нарушения внешнего вида и конструктивных особенностей здания. Такими способами усиления являются:

цементация грунтового основания, исследованиями которой занимались А.Н. Адамович, Э.Э. Аллас, В.В. Аскалонов, Б.Е. Веденеев, В. Витке, Г.Б. Вайсфельд, В.И. Баранов, Н.Н Биндеман, В.М. Безрук, Г.Б. Вайсфельд, Д.В Волоцкий, С.Г Леман, И.А. Егоров, Л.В. Гончарова, А. Камбефор, М.Т. Кулеев, А.Н. Мещеряков, Ф. Мальдер, А.Н. Мещеряков, Н.Г. Трупак, Г. Янде, H.Brandl, D. Bruce, С. Caron, R.H. Karol, G Rehbinder, G. Tallard, K. Weaver, W. Wittke, и др. а также микроцементация, исследование которой отражено в работах С. В. Алексеева, О.С. Байдакова, В.И. Глебова, Н.Н. Данченко, Н.В.Дмитриева, А.И. Егорова, М.Н. Ибрагимова, А.И. Никитина, Е.Н. Самарина, В.В. Семкина, А.И Панченко, И.Я. Харченко, А.Н. Чумаченко, R. Karol, В.Schulze, M. Dekker и др.;

струйная технология закрепления (jet-grouting), разработкой и промышленным внедрением которой занимались: И.И. Бройд, Л.К. Гинзбург, Х.А. Джантимиров, А.А. Долев, C.O. Зеге, Л.В. Маковский, А.Г. Малинин, П.А. Малинин, О.А. Маковецкий, В.Е. Меркин, Г.П. Никонов, М.И. Смородинов, А.Н. Токин, В.М. Улицкий, D. Bottero, М. Bringiotti, G.K. Burke, С. Kutzner, A. Garassino, М.А. Koeling, С. Kutzner, М. Bustamante, С. Melegari, G. Rehbinder, Т. Yahiro, H. Yoshida и др.;

высоконапорная (манжетная) технология инъекции в режиме «гидроразрывов», наибольший вклад в развитие которой внесли: М. Аббуд, В.А. Ермолаев, М.Н. Ибрагимов, А. Камбефор, А.Л. Ланис, Р.А. Мангушев, А.И. Нестеров, Л.В. Нуждин, М.Л. Нуждин, В.И. Осипов, В.П. Петрухин, З.Г. Тер-Мартиросян, И.И. Сахаров, О.А. Шулятьев, H. Brandl, G.W. Jaworski, и др.;

инъекционные или буроинъекционные сваи, наибольший вклад в развитие которых внесли: Н.Н Баранов, В.М. Безрук, С.Г. Богов, В.А. Богомолов, П.С. Ваганов, Э.М Гендель, И.А. Запевалов, А.А. Зайцев, В.Ф. Карякин, И.М. Клейнер, М.Я. Крицкий, М.Т. Кулеев, В.В. Лушников, Р.А. Мангушев, А.Г. Мацегора, Н.С. Мирочник, Я.Я. Мотузов, М.И. Никитенко, А.А. Никифоров, А.И. Осокин, В.П. Петрухин, А.И. Полищук, В.М. Сбоев, СВ. Сергеев, В.В. Семкин, В.Ф. Скоркин, Т.А. Трепутнева, В.М. Улицкий, А.П. Хамов, М.Ф. Хасин, К.Ш. Шадунц, О.А. Шулятьев, T. J. Comer, M. Hubbert, D. Willis, и др.

Каждый из этих способов имеет свою область применения. В некоторых

случаях одним из недостатков является непредсказуемое и не контролируемое распространение раствора в пылевато-глинистом грунтовом массиве, и как следствие, вероятность возникновения неравномерной сжимаемости основания в плане и другие неблагоприятные последствия.

Объект исследования: грунтовое основание, сложенное преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, уплотннное буроинъекционными сваями, изготавливаемыми по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» и контролируемым уширением на конце.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние (НДС) и физико-механические характеристики околосвайного грунтового массива при формировании и статическом нагружении буроинъекционных свай, изготавливаемых по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» и контролируемым уширением на конце.

Цель исследования: изучение взаимодействия буроинъекционных свай, изготавливаемых по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» и контролируемым уширением на конце с пылевато-глинистым грунтовым основанием в условиях статического нагружения для эффективного и технологичного усиления ленточных фундаментов.

Задачи исследования:

1. Анализ способов усиления ленточных фундаментов зданий и сооружений, в основании которых залегают пылевато-глинистые грунты и разработка нового эффективного способа усиления;

2. Определение состава инъекционного раствора, позволяющего получать контролируемое уширение на конце сваи и гидроразрывы в околосвайном грунтовом массиве прогнозируемых геометрических параметров с заданными механическими характеристиками;

3. Выявление закономерностей образования уплотннной зоны в пылевато-глинистом грунтовом массиве при формировании контролируемых уширений объмом 10-40 л и ствола сваи с однократной и повторной инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» с определением их геометрических параметров, изменением НДС (с частичным сохранением остаточных напряжений) и физико-механических характеристик грунтов;

4. Выявление закономерностей изменения НДС в условиях статического нагружения буроинъекционных свай без уширения и с контролируемым уширением объмом 10-40 л, с однократной и повторной инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов», с определением наиболее эффективного способа усиления ленточных фундаментов;

5. Разработка алгоритма расчта основных параметров для прогноза взаимодействия буроинъекционных свай, изготавливаемых по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» и контролируемым уширением на конце в пылевато-глинистых грунтах в условиях статического нагружения.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

6. Разработан способ усиления ленточных фундаментов зданий и сооружений, в основании которых залегают пылевато-глинистые грунты, состоящий из устройства контролируемого уширения на конце буроинъекционной сваи и формирования е ствола по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов»;

7. Определн и экспериментально обоснован состав раствора, позволяющий получать контролируемое уширение на конце сваи и гидроразрывы в околосвайном грунтовом массиве прогнозируемых геометрических параметров с заданными механическими характеристиками;

8. Выявлены закономерности образования уплотннной зоны пылевато-глинистого грунтового массива при формировании контролируемых уширений

объмом 10-40 л и ствола сваи с однократной и повторной инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» с определением их геометрических параметров, изменением НДС (с частичным сохранением остаточных напряжений) и физико-механических характеристик;

4. Выявлены закономерности изменения НДС околосвайного грунтового массива в условиях статического нагружения буроинъекционных свай без уширения и с контролируемым уширением объмом 10-40 л, с однократной и повторной инъекцией гидроразрывов, с обоснованием эффективности применения контролируемого уширения с повторной инъекцией раствора;

5. Разработан алгоритм расчта основных параметров для прогноза взаимодействия предлагаемых свай с пылевато-глинистым грунтовым основанием в условиях статического нагружения с сопоставлением с классическими аналитическими решениями в области механики грунтов, теории упругости и пластичности.

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке нового эффективного способа усиления ленточных фундаментов в пылевато-глинистых грунтах, позволяющего объединить устройство буроинъекционных свай с контролируемым уширением, увеличение диаметра ствола сваи, манжетную технологию инъекции в режиме «гидроразрывов», а также восстановление конструкции фундамента в одну технологическую операцию;

2. В определении состава раствора, позволяющего получать уширение на конце сваи и гидроразрывы в околосвайном грунтовом массиве прогнозируемых геометрических параметров с заданными характеристиками;

3. В изготовлении буроинъекционных свай по манжетной технологии с однократной и повторной инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» и контролируемым уширением на конце объмом 10-40 л в пылевато-глинистых грунтах, с определением их геометрических параметров и выявлением закономерностей образования уплотннной зоны с изменением НДС (с частичным сохранением остаточных напряжений) и физико-механических характеристик околосвайного грунтового массива;

4. В получении результатов статического нагружения буроинъекционных свай без уширений и с контролируемым уширением объмом 10-40 л, с однократной и повторной инъекцией гидроразрывов для выявления закономерностей изменения НДС пылевато-глинистого грунтового массива;

5. В обосновании эффективности использования для усиления ленточных фундаментов предлагаемых свай (с контролируемым уширением и повторной инъекции гидроразрывов);

Теоретическая значимость работы заключается в разработке алгоритма расчта основных параметров и прогноза взаимодействия предлагаемых свай в пылевато-глинистых грунтах в условиях статического.

Результаты исследования реализованы:

6. В проекте усиления фундаментов объекта культурного наследия регионального значения «Третья городская больница горздравотдела», расположенная по адресу: г. Тюмень, ул. Даудельная 1, корпус 11 в рамках выполнения государственного контракта №5-НПД/2013 от 09.01.2013г.;

7. При выполнении усиления основания фундамента МАОУ СОШ №22 расположенного по адресу: г. Тюмень, ул. Садовая, 121;

8. При выполнении комплекса работ по стабилизации оползневых процессов берегового склона в д. Каменка Тюменского района;

9. При выполнении усиления основания фундаментов с последующим освоением подземного пространства объекта культурного наследия «Дом В.И. Князева» по адресу: г. Тюмень, ул. Ленина, 10;

10. В ТюмГАСУ при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство».

Методология и методы исследования:

11. Сравнительный анализ способов усиления ленточных фундаментов в пылевато-глинистых грунтах, на основе отечественного и зарубежного опыта учных и инженеров-геотехников;

12. Выполнение лабораторных и полевых исследований по установлению закономерностей влияния технологических параметров и конструктивных особенностей предлагаемой сваи на изменение НДС и физико-механических характеристик грунтового массива в пределах уплотннной зоны;

13. Использование известных аналитических решений для определения расчтных параметров предлагаемых свай и выполнения достоверного прогноза их взаимодействия с пылевато-глинистыми грунтами в условиях нагружения;

14. Сопоставление результатов полевых исследований с результатами расчтов основных параметров предлагаемых свай.

Положения, выносимые на защиту:

15. Разработка нового эффективного способа усиления ленточных фундаментов в пылевато-глинистых грунтах, состоящего из контролируемого уширения на конце буроинъекционной сваи и формирования е ствола по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов»;

16. Результаты лабораторных исследований по определению рационального состава инъекционного раствора, позволяющего получать уширение на конце сваи и гидроразрывы в околосвайном грунтовом массиве прогнозируемых геометрических параметров с заданными механическими характеристиками;

17. Результаты полевых исследований по выявлению закономерностей образования уплотннной зоны пылевато-глинистого грунтового массива при формировании контролируемых уширений объмом 10-40 л и ствола сваи с однократной и повторной инъекцией гидроразрывов с определением их

геометрических параметров, изменением НДС (с частичным сохранением остаточных напряжений) и физико-механических характеристик;

4. Результаты полевых исследований по выявлению закономерностей изменения НДС пылевато-глинистого грунтового массива в условиях статического нагружения буроинъекционных свай: без уширения и с контролируемым уширением объмом 10-40 л, с однократной и повторной инъекцией гидроразрывов, с обоснованием эффективности применения контролируемого уширения с повторной инъекцией гидроразрывов;

5. Алгоритм расчта основных параметров и прогноза взаимодействия предлагаемых свай в пылевато-глинистых грунтах в условиях статического нагружения на основе сравнительного анализа существующих аналитических решений в области механики грунтов, теории упругости и пластичности.

Степень достоверности работы обеспечивается:

1. Использованием в работе методов исследования, основанных на современных представлениях о механике деформирования грунтов;

2. Использованием современных апробированных контрольно-измерительных цифровых комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных приборов;

3. Выполнением серии лабораторных и полевых исследований в объме, достаточном для достоверного анализа полученных результатов;

4. Сопоставлением результатов полевых исследований с результатами расчтов основных параметров предлагаемых свай и классическими аналитическими решениями в области механики грунтов, теории упругости и пластичности.

Апробация результатов исследования: основные результаты были доложены
и обсуждены на: XII, XIII, XIV научной конференции молодых ученых, аспирантов и
соискателей ТюмГАСУ (г. Тюмень, 2012-2013 гг.); всероссийской научно-
практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и
энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2013г.); международной
научно-технической конференции, посвященной 80-летию образования кафедры
геотехники СПбГАСУ и 290-летию российской науки (г. Санкт-Петербург, 2014 г.);
международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы

строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири (г.
Тюмень, 2014г.); всероссийской конференции с международным участием
«Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства»,
посвященной 80-летию со дня рождения, профессора, д.т.н. Бартоломея А. А. (г.
Пермь 2014г.); всероссийской научно-практической конференции «Механика грунтов
в геотехнике и фундаментостроении» (г. Новочеркасск, 2015 г.); международной
научно-практической конференции «Актуальные проблемы архитектуры,

строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2015г.); российской учебно-практической молоджной конференции по

геотехнике МГСУ, (г. Москва 2015 г), 71-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГАСУ и докладчиков из других организаций «Изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация оснований фундаментов зданий и сооружений» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.). Личный вклад автора состоит в:

1. разработке нового способа усиления ленточных фундаментов в пылевато-глинистых грунтах, состоящего из контролируемого уширения на конце буроинъекционной сваи и формирования е ствола по манжетной технологии с инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов»;

2. в проведении лабораторных исследований и определении состава раствора, позволяющего получать уширение на конце сваи и гидроразрывы в околосвайном грунтовом массиве прогнозируемых геометрических параметров с заданными механическими характеристиками;

3. в проведении полевых исследований и получении результатов формирования буроинъекционных свай с контролируемым уширением объмом 10-40 л с выявлением закономерностей образования уплотннной зоны пылевато-глинистого грунтового массива, определением геометрических параметров уширений, изменением НДС (с частичным сохранением остаточных напряжений) и физико-механических характеристик;

4. в проведении полевых исследований и получении результатов формирования ствола буроинъекционных свай по манжетной технологии с однократной и повторной инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов» в пылевато-глинистых грунтах с выявлением закономерностей образования уплотннной зоны околосвайного грунтового массива, геометрических параметров и радиуса распространения гидроразрывов, а также изменения физико-механических характеристик;

5. в проведении статических испытаний буроинъекционных свай с выявлением закономерностей изменения НДС пылевато-глинистого грунтового массива и обоснованием эффективности применения контролируемого уширения с повторной инъекцией раствора в режиме «гидроразрывов»;

6) в разработке алгоритма расчта основных параметров для прогноза

взаимодействия предлагаемых свай с пылевато-глинистым грунтовым основанием в условиях статического нагружения.

Публикации: основные результаты работы изложены в 10 научных статьях, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК Российской федерации. По результатам работы получено 2 патента Российской федерации.

Объем и структура работы: состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 195 наименований и семи приложений, содержит 210 страниц машинописного текста, 94 рисунка, 23 таблицы, 118 формул.