Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы инъекционного закрепления слабых грунтов в основаниях зданий и сооружений для целей строительства и реконструкции 9
1.1. Применяемые инъекционные методы закрепления грунтов 9
1.2. Методы закрепления грунтов в режиме гидроразрыва 14
1.3. Анализ применимости существующих методов закрепления грунтов для целей строительства и реконструкции в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга 18
1.4. Выводы по главе. Цели и задачи исследования 24
ГЛАВА 2 26
Лабораторные и натурные эксперименты по упрочнению грунтов инъекционными растворами 26
2.1. Проектирование составов инъекционных растворов для закрепления грунтов 26
2.2. Изучение закрепляемости грунтов инъекционными растворами в лабораторных условиях 36
2.3. Проведение натурных испытаний инъекционного закрепления фунтов на опытных участках 2.3.1. Инъекционное закрепление фунтов на опытной площадке по адресу ул. Малая Морская, 7 41
2.3.2. Инъекционное закрепление фунтов на опытной площадке по адресу Набережная Обводного канала, 93 А 44
2.4. Совершенствование манжетной технологии закрепления слабых фунтов для условий Санкт-Петербурга 55
2.4.1. Оборудование для закрепления грунтов с использованием манжетной технологии 55
2.4.2. Проектирование составов обойменных растворов 62
Выводы по главе 2 72
ГЛАВА 3 73
Численное моделирование закрепления грунта и методика установления механических характеристик упрочненного массива 73
3.1. Общие положения 73
3.1.1 .Постановка задачи и исходные данные 74
3.1.2. Модель грунта и метод расчета 75
3.1.3. Численный анализ влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние водонасыщенного грунта при инъектировании 76
3.1.4. Результаты численного моделирования технологии повторного инъектирования 97
Выводы по главе 3 102
Глава 4 103
Сопоставление результатов численного моделирования напряженно деформированного состояния грунта при инъецировании методом гидроразрыва с результатами натурных исследований 103
4.1. Моделирование напряженно-деформированного состояния грунта основания административного здания в Санкт-Петербурге при инъекционном закреплении 103
4.2. Сопоставление результатов натурных исследований и численного моделирования изменения порового давления при инъектировании 108
4.3. Методика подбора оптимальных технологических режимов инъекционного закрепления грунтов 119
Выводы по главе 4 121
ГЛАВА 5 Опытно-производственное внедрение результатов исследований на объектах Санкт-Петербурга 122
5.1. Закрепление грунтов под фундаментами котлов при реконструкции котельных 122
5.2. Инъекционное усиление грунтового основания фундамента при реконструкции административного здания 124
5.3. Инъекционное упрочнение грунтов основания реконструируемое промышленного здания 129
5.4. Инъекционное усиление грунтового основания фундаментов жилых зданий, попавших в зону риска при новом строительстве 130
Заключение 140
Список литературы
- Анализ применимости существующих методов закрепления грунтов для целей строительства и реконструкции в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга
- Проведение натурных испытаний инъекционного закрепления фунтов на опытных участках
- Численный анализ влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние водонасыщенного грунта при инъектировании
- Сопоставление результатов натурных исследований и численного моделирования изменения порового давления при инъектировании
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Улучшение строительных свойств грунтов для усиления оснований зданий старой застройки, городских дорог, станций метрополитена, транспортных и инженерных тоннелей является давно назревшей и чрезвычайно важной проблемой для повышения долговечности и надежности сооружений в крупных городах при внешних техногенных воздействиях и освоении городского подземного пространства.
Усиление фундаментов при помощи буроинъекционных свай, выполнение инъекционного закрепления грунтов методами восходящих или нисходящих последовательных этапов являются способами однократного воздействия на грунты. Использование высоконапорной инъекции или манжетной технологии позволяет выполнять закрепление грунтов многократно, с регулированием режимов нагнетания инъекционного раствора по любому горизонту закрепляемого массива.
Вместе с тем, до настоящего времени применение манжетной технологии в слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах осуществлялось во многом интуитивно из-за ее недостаточной изученности и, в результате чего, данная технология использовалась весьма ограничено.
Учитывая необходимость сохранения зданий исторического застройки Санкт-Петербурга и других крупных городов, дальнейшее развитие их транспортной и подземной инфраструктуры необходимость исследований, направленных на изучение процессов закрепления грунтов с использованием метода манжетной технологии, являются весьма актуальными.
Совершенствование метода инъекционного усиления оснований сооружений с использованием манжетной технологии в режиме гидроразрыва позволит повысить прогнозирование качества закрепленных грунтов, в том числе пылевато-глинистых, его эффективное использования при решения сложных геотехнических задач.
Степень разработанности темы исследования. Достоинством методов высоконапорной инъекции является их применимость к упрочнению не только песчаных, но и водонасыщенных глинистых грунтов. Методы высоконапорной инъекции нашли применение при решении широкого круга геотехнических задач. Теоретическим и практическим исследованиям таких задач посвещены работы М.Аббуда, К.П. Безродного, В.А.Богомолова, В.Н.Бронина, О.В.Герасимова, М.Я.Крицкого, А.Л.Ланиса, А.В.Лубягина, В.В.Лушникова, А.Г.Малинина, Р.А.Мангушева, А.Г.Мацегоры, В.А. Мишакова, М.И. Никитенко, Л.В.Нуждина, М.Л.Нуждина, С.Д.Осипова, В.П.Писаненко, А.И.Полищука, И.И.Сахарова, К.Ш.Шадунца и других специалистов.
При упрочнении слабых глинистых грунтов в основаниях реконструируемых зданий Санкт-Петербурга в основном применяется манжетная технология высоконапорной инъекции. Экспериментальные и теоретические исследования, проводимые под руководством И.И.Сахарова, позволили выявить характерные типы образующихся текстур, модернизировать конструкцию манжетной колонны для получения горизонтальной трещины гидроразрыва. Однако анализ литературных источников показал, что сведения по упрочнению слабых водонасыщенных грунтов в области образования линз из затвердевшего раствора достаточно противоречивы.
Проведенный анализ методов инъекционного закрепления грунтов с учетом особенностей инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга, позволил сделать следующие выводы
-
Традиционно используемые методы усиления слабых грунтов оснований сооружений имеют ограниченное применение.
-
Задачи по закреплению грунтов оснований часто требуют повторного возвращения к объектам усиления, при этом ни одна из существующих технологий, кроме манжетной, не позволяет их решить с минимальными затратами.
-
В настоящее время манжетная технология инъектирования грунта в режиме гидроразрыва изучена недостаточно и отработаны методики оценки влияния гидроразрыва на изменения прочностных и деформационных свойств грунта.
-
Совершенствование технологии инъекционного закрепления грунтов с использованием манжетной технологии может позволить повысить качество закрепления грунтов и увеличить эффективность использования данного метода для решения различных сложных геотехнических задач.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования – совершенствование метода усиления оснований с использованием манжетной технологии и оценка влияния гидроразрыва на изменения прочностных и деформационных свойств слабых грунтов, в том числе при неоднократном инъекцировании.
Задачи исследования:
-
анализ существующих методов закрепления грунтов, используемых в отечественной и мировой геотехнической практике для оценки возможности применения данных методов при строительстве и реконструкции;
-
выполнение лабораторных исследований по подбору оптимальных рецептур инъекционных растворов для использования манжетной технологии в условиях слабых грунтов, а также рецептур обойменных растворов;
-
усовершенствование стандартного и разработка нового оборудования для закрепления грунтов с использованием манжетной технологии, в том числе при неоднократном инъекцировании;
-
оценка изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенного грунта при его закреплении по манжетной технологии в режиме гидроразрыва с использованием численного моделирования;
-
проведение натурных исследований по оценке степени упрочнения грунта при использовании манжетной технологии;
-
выполнение сравнительного анализа характеристик грунтов при упрочнении инъекцией, полученных при численном моделировании и по результатам полевых натурных исследований;
-
внедрение предлагаемого метода усиления оснований с использованием манжетной технологии на объектах Санкт-Петербурга.
Объектом исследования являются слабые водонасыщенные грунты оснований сооружений.
Предметом исследования является изменение напряженно-деформированного состояния и характеристик оснований, упрочненных методом инъекцирования с использованием манжетной технологии в режиме гидроразрыва, в том числе, при неоднократной инъекции.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
Экспериментально подобран и обоснован оптимальный состав инъекционного и обойменного растворов, усовершенствовано нагнетательное оборудование, позволившее обеспечить возможность многократной подачи инъекционного раствора в грунтовый массив.
-
Усовершенствована методика и выполнена численная оценка изменения напряженно-деформированного состояния основания, включая анализ изменения поровых давлений, при закреплении грунта инъекцированием в режиме гидроразрыва.
-
Разработаны и обоснованы параметры и метод контролируемого многократного инъекцирования в закрепляемый горизонт грунтового основания с использованием манжетной технологии, что позволяет создавать структурно-закрепленный массив грунта в заданном объеме.
-
Теоретически и экспериментально обоснована зависимость упрочнения грунтов от режима нагнетания и свойств инъекционного раствора.
-
Полевыми исследованиями подтверждена эффективность закрепления грунтов с использованием предложенного метода в условиях водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов Санкт-Петербурга.
Методологическая основа исследования.
-
Анализ литературных источников по методам и результатам инъекционного закрепления грунтов,
-
Лабораторные исследования по подбору оптимальных рецептур инъекционных и обойменных растворов,
-
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния грунта при его закреплении инъекцированием в режиме гидроразрыва,
-
Проведение полевых экспериментальных исследований по оценке параметров закрепления, степени упрочнения грунта, закрепляемого с использованием манжетной технологии в режиме гидроразрыва,
-
Сопоставление результатов проведенных экспериментальных работ с результатами численного моделирования с целью подтверждения эффективности предлагаемого метода,
-
Экспериментальный подбор, усовершенствование и промышленное опробование оборудования для проведения инъекционного закрепления грунтов методом манжетной технологии с многократной повторяемостью нагнетания.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения», п. 7 «Разработка новых методов расчета, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций», п.10 «Раработка научных основ и основных принципов безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и т.д.».
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Разработан стандарт организации (СТО31041820 002 2006) на усиление фундаментов и упрочнение грунтов оснований с применением инъекционных технологий при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте наземных, заглубленных и подземных зданий и сооружений в соответствии с действующими нормативными требованиями. На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований подобран оптимальный состав инъекционного и обойменного растворов. Усовершенствовано нагнетательное оборудование, обеспечивающее возможность многократной подачи инъекционного раствора в грунтовый массив. Разработан метод контролируемого многократного инъекцирования в закрепляемый горизонт с использованием манжетной технологии. Предложена методика определения радиуса закрепления и численного прогноза изменения модулей деформации грунта при инъекцировании в режиме гидроразрыва. Доказана эффективность закрепления грунтов с использованием предложенного метода в условиях водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов Санкт-Петербурга.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на четырех отечественных и зарубежных научно-практических конференциях: 4-ая Международная конференция по улучшению свойств грунтов геосистемами (инъекция, усиление грунтов и геосистемы включая усиление), Хельсинки, 2000; Международная геотехническая конференция «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов», Алматы, 2004; 61-я научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2004; Научно-техническая конференция «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции" посвященная 100-летию со дня рождения Б.И.Далматова, СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2010.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, общим объемом 8,13 п.л., лично автором – 4,76 п.л., в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Анализ применимости существующих методов закрепления грунтов для целей строительства и реконструкции в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга
Под закреплением (упрочнением) грунтов естественного залегания понимают искусственное улучшение их свойств для целей строительства различными способами, в результате чего снижается их водопроницаемость и сжимаемость, значительно увеличивается несущая способность, повышается прочность, сопротивление размыву [39]. Идеи искусственного улучшения свойств грунтов появились и начали использоваться в начале XIX века.
Инъекция - это технология глубинного закрепления грунтов нагнетанием под давлением различных жидких веществ (растворов) в пустоты, трещины или разрывы. Выбор подходящего инъекционного раствора зависит от эффекта, который необходимо получить, и от свойств инъектируемого грунта.
Инъекционная технология была запатентована в 1794 году и впервые применена в 1802 году французским инженером Шарлем Бериньи как способ заполнения. трещин в массивах грунта с целью снижения их водопроницаемости [170]. Пластичные глины были закачены в грунт основания через отверстия при помощи «толчкового насоса». Первая примитивная инъекция имела успех.
В дальнейшем метод использовался для предотвращения эрозии тела фундаментов. Позже вместо глины, пуццолана и гидравлической извести использовался портландцемент. В 1838 году инъекция была применена для заполнения трещин в каменной кладке Дамбы Grosbois во Франции [169].
В Великобритании в 1856 году проводились эксперименты по инъектированию гравия. Впервые было произведено подводное бетонирования путем инъекции цементного раствора в предварительно насыпанный гравий для строительства нескольких дамб и судоходных шлюзов на Ниле [169].
В 1864 получен патент на строительство тоннеля при помощи защитного экрана, в который инъецировался цементный раствор [169]. В дальнейшем способ использовался при строительстве тоннелей метро, расположенных ниже уровня грунтовых вод, в Лондоне и Париже. Раствор инъецировался при помощи сжатого воздуха из конических камер давления. Эта практика существовала до 1910, когда был создан гидравлически управляемый мембранный инъекционный насос [169].
Дальнейшее развитие в конце XIX века инъекция нашла в шахтостроении для крепления стенок шахт, защиты от фильтрации грунтовых вод, тампонажного закрепления скальных пород. В начале XX века инъекция грунтов находит широкое применение в гидротехническом и дорожном строительстве. Систематическое улучшение инъекционных технологий началось с инъекции скального основания Дамбы Хувер на реке Колорадо в США которая строилась с 1932 по 1936 [170].
В 60-х годах XIX века появляются первые сведения в печати о работах, направленных на улучшение свойств грунтов [38]. Однако до XX века работы по искусственному изменению свойств грунтов носили эпизодический характер, основывались на интуитивном подходе к решению вопроса, теоретических разработок не было.
Планомерные научные исследования в этой области, заложившие теоретические основы инъекционного закрепления грунтов, были начаты в конце 20-х и начале 30-х годов XX столетия под руководством М.М.Филатова в Московском университете, Б.А.Ржаницына в институте «ВодГео», А.Н.Адамовича во ВНИИГе им. Веденеева, В.М.Безрука в СоюздорНИИ, а также В.В. Охотина, С.С.Морозова и др. [157, 158, 123, 2, И, 12,106, 107,97].
Благодаря усилиям М.М.Филатова, В.В.Охотина, П.П.Земятченского, Н.Н.Иванова и др. [157, 158, 106, 107, 58, 59] к началу первой пятилетки в СССР были освоены методы известкования, торфования, обжига, цементации и составления оптимальных смесей.
В 1931 году Б.А.Ржаницыным [123, 124] разработан метод силикатизации грунтов, основанный на применении жидкого стекла и хлористого кальция. Жидкое стекло впервые было применено для закрепления грунта в конце XIX века в Германии. Исследования по разработке способов силикатизации грунтов в СССР начались лишь в 1929 году под руководством Б.А.Ржаницына. Эти исследования велись самостоятельно ввиду недоступности зарубежного опыта.
В настоящее время и в отечественной, и в зарубежной практике существует множество способов глубинного упрочнения грунтов в дорожном, гражданском, гидротехническом строительстве. К традиционным способам упрочнения грунтов оснований гражданских сооружений инъекцией твердеющих растворов относятся цементация, силикатизация, смолизация, электрохимическое закрепление [123], а также известкование, битумизация, кольматация (глинизация). Эти способы основаны на нагнетании растворов, содержащих различные химические реагенты жидкой консистенции через предварительно пробуренные скважины или инъекторы под давлением. В процессе инъекции структура грунта не нарушается, раствором заполняются трещины, пустоты, пропитывается поровое пространство (проникающая инъекция или инъекция в режиме пропитки). Вводимые реагенты вызывают химические реакции между компонентами раствора и минеральной частью грунта, в результате чего раствор твердеет, омоноличивая грунт. При этом в области закрепления значительно повышается прочность, снижается водопроницаемость и сжимаемость грунта, что связано с изменением состава и характера структурных связей.
Цементация, то есть инъекция цементного раствора, является наиболее распространенным способом воздействия на грунты с целью улучшения их свойств [62, 142, 152, 172, 174]. Цементация применяется для заполнения пустот трещиноватых скальных и полускальных пород с размером трещин не менее 0,1 мм [77], для закрепления крупнообломочных и песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 80 -е- 200 м/сут и более [77, 69], для заполнения крупных пустот и полостей (карстовых и др.) в грунтах всех видов.
Цементные растворы могут менять свои свойства (подвижность, пластичность, сроки схватывания, прочность) в довольно широких пределах под воздействием различного рода добавок: бентонитовой глины, пластификаторов, регуляторов срока схватывания — жидкого стекла, хлоридов щелочных металлов и т.п.
Большой вклад в развитие способа цементации грунтов внесли А.Н.Адамович, Э.Э.Аллас, В.М.Безрук, Г.Б.Вайсфельд, Л.В.Гончарова, А.Камбефор, В.А. Мишаков, М.И. Никитенко, П.А.Ребиндер, Н.Г.Трупак, и др. [2, 7, 8, 11, 12,32,39,67, 120,150, 151].
Преимуществом метода является высокая экологическая чистота вяжущего и доступность. Недостатком данного метода является применимость только к высокопроницаемым грунтам (для скальных и полускальных удельное водопоглощение 0,01 л/мин; для прочих грунтов 50 л/мин).
Область применения цементации фунта может быть несколько расширена [39] в случае дополнительного диспергирования и использования пластифицирующих добавок, что позволяет инъецировать раствор в трещины размером до 0,05 мм. В любом случае диаметр пор должен превышать диаметр наиболее крупных частиц цемента не менее чем в 5,5 раз.
Метод известкования (пропитка грунта коллоидально-раздробленным гидратом окиси кальция) широко используется в Скандинавских странах для усиления основания дорожного полотна [174]. К недостаткам этого метода можно отнести большое время твердения, усадку после твердения, а также тот факт, что стоимость извести сравнима со стоимостью цемента при более медленном наборе прочности [17].
Кольматация (глинизация), то есть нагнетание глинистого раствора, применяется для снижения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов с величиной раскрытия трещин от 10 мм. Главным недостатком растворов, основным компонентом которых является глина, является их невысокая прочность.
Область применения метода силикатизации ограничивается песчаными грунтами с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут, независимо от водонасыщения. Закрепленные силикатизацией пески имеют высокую механическую прочность и практически водонепроницаемы.
Проведение натурных испытаний инъекционного закрепления фунтов на опытных участках
Экспериментальные работы по опробыванию манжетной технологии проводились при усилении фундаментов и грунтов основания на объекте, расположенном по адресу ул. Малая Морская, 7 в период с 12 по 20 августа 1996 г. Геологический разрез опытного участка представлен на рис. 2.3.1.
Были пробурены две скважины на глубину 7,4 м (скважина № 792) и 8,4 м (скважина № 793), расположенные на расстоянии 1 м друг от друга.
По окончании бурения через колонну бурильных труб скважины до устья заполнялись глиноцементным раствором с целью создания обоймы вокруг манжетных труб. В связи с отсутствием на объекте второй растворомешалки и второго насоса приготовление обойменного раствора осуществлялось по однорастворной схеме.
Схема расположения манжетных труб в скважинах приведена на рис. 2.3.1 соотносительно с геологическим разрезом. Опытные работы по нагнетанию закрепляющих растворов проводились через 6 суток после установки манжетных труб. Двойной пакер опускался в колонну манжетных труб на нагнетательной колонне из стальных труб диаметром 1 дюйм.
В скважине № 793 первоначально пакерующее устройство было установлено на втором снизу манжетном клапане. Разрыв обоймы произошёл при нагнетании воды при давлении 1,0МПа и затем скважина принимала воду при давлении 0,45-0,5МПа.
Далее пакер поднимался вверх и последовательно устанавливался на вышележащих манжетных клапанах. В двух очередных клапанах разрыв обоймы произошёл соответственно при давлениях 0,8 и 1,2МПа, а затем пласт принимал воду при давлениях 0,5-0,7МПа.
Очередной, четвертый по счету, клапан был расположен в тонкозернистом песке и разрыв обоймы произошёл при давлении 0,5МПа. Затем в скважину при таком же давлении нагнетался цементный раствор с водоцементным отношением В/Ц=1 с добавками жидкого стекла и пластификатора С-3. Всего было закачано 100л цементного раствора, после чего нагнетание было прекращено.
В следующем клапане разрыв обоймы проводился цементным раствором при давлении 1,0МПа, затем при давлении 0,3-0,4МПа было закачано 80л цементного раствора.
В последнем клапане разрыв обоймы цементным раствором произошёл при давлении 1,5МПа и при давлении 0,4-0,6МПа было закачано 55л цементного раствора (раствор закончился).
В скважине № 792 первоначально пакерующее устройство было установлено в глухой трубе на глубине 2м с целью определения надежности манжетных уплотнений. Давление было доведено до 3,5МПа, манжеты давление держали. Однако из-за наличия дренажного отверстия в нижней части пакера он начал двигаться вверх и создать большое давление не удалось. После этого пакер был установлен на второй сверху клапан и при давлении 1,0 МПа был произведен разрыв обоймы водой с последующей закачкой в этот интервал цементного раствора (В/Ц = 1) в количестве 60л.
При перестановке пакера на верхний клапан пришлось прикладывать большие усилия, что связано, как выяснилось впоследствии, с выдавливанием манжетного уплотнения из места крепления. Разрыв обоймы произошёл при давлении 0,7МПа и последующее нагнетание цементного раствора производилось при скачках давления от 0,5 до 1,5МПа, было закачано 65л. После кратковременной остановки насоса (до 5 минут) была сделана попытка продолжить закачку цементного раствора, но после резкого скачка давления до 3,0МПа произошел срыв верхнего манжетного уплотнения и прорыв цементного раствора через манжетную трубу на устье скважины.
В целом в результате проведенных опытных работ была установлена практическая целесообразность использования предложенной технологии закрепления грунта нагнетанием твердеющих составов через колонну манжетных труб собственной конструкции. Конструктивные решения технологических элементов обеспечивают герметичность трубных соединений и манжетных клапанов при расчетных давлениях, что позволяет успешно производить инъекцию в грунт закрепляющих растворов.
Прочностные характеристики глиноцементного обойменного раствора соответствуют расчетным и обеспечивают прорыв обоймы и последующую инъекцию закрепляющих растворов с сохранением герметичности устья скважины.
В то же время были выявлены отдельные конструктивные недоработки. Муфтовые соединения в нагнетательной колонне из бесшовных цельнотянутых труб были заменены на замковые с прорезями под вилки. Использовавшиеся в начале манжетные уплотнения 45 х 55 были заменены на более надежные уплотнения 35 х 55. Кроме того, выяснилось, что для перемещения нагнетательной колонны с пакером внутри манжетных труб при значительной глубине скважины (более 10м) целесообразно использовать мачту (треногу) с ручной лебедкой или переходить на применение съемных пакеров, опускаемых в скважину непосредственно на жестком шланге высокого давления или стальных трубах.
Экспериментальные работы на объекте, расположенном по адресу Набережная Обводного канала, 93 А, были инициированы техническим директором ЗАО «Геострой» М. В. Лебедевым. Работы выполнялись силами дочернего предприятия - ЗАО «Метрогеос» в 1997-98 годах под непосредственным руководством автора.
Основная задача экспериментальных работ заключалась в определении области активного распространения инъекционного раствора и радиуса эффективного закрепления грунта.
Грунтовое основание опытной площадки представлено насыпными грунтами мощностью 2 м, под которыми залегают пески пылеватые средней плотности с коэффициентом пористости 0,76.
Была разработана следующая методика проведения натурных испытаний по исследованию инъекционного закрепления грунтов по манжетной технологии. На опытной площадке до начала бурения инъекционных скважин в намеченных точках проводится статическое и динамическое зондирование. Пробуриваются 10 экспериментальных инъекционных скважин диаметром 93 мм. После установки манжетных колонн и выдержки обойменного раствора в течение 5—7суток производится инъектирование цементного раствора с добавками хлористого кальция и суперпластификатора С-3. Через 14суток после осуществления инъекции проводится статическое и динамическое зондирование в тех же местах, где оно выполнялось первоначально. Интервалы, в которых зонд не внедряется в грунт перебуриваются, и зондирование продолжается далее. Еще через 7 суток проводится бурение контрольных скважин с отбором керна. Качество инъекционных работ оценивается по результатам зондирования и контрольного бурения. По результатам опытных работ возможно уточнение расположения точек инъекции, объемов закачки. Опытные работы проводились в соответствии с разработанной методикой и утвержденной программой проведения опытных работ по инъекционному закреплению грунтов (Приложение 1).
Было пробурено 10 инъекционных скважин до глубины 4м. Схема расположения скважин показана на рис. 2.3.2. Семь скважин (№1-№7) были пробурены вертикально и три (№8-№10) под углом 30 к вертикали. В семи скважинах (№4-№10) были установлены манжетные трубы с шагом инъекционных отверстий 0,66 м - тип ИС-1, а в трёх (№1-№3) - с шагом 0,33м- тип ИС-2.
Численный анализ влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние водонасыщенного грунта при инъектировании
Как было указано в главе 2, для повышения несущей способности и снижения деформативности слабых водонасыщенных грунтов возможно их закрепление с помощью метода манжетной технологии. При этом, при инъектировании цементных растворов закрепление грунтов происходит в незначительной степени в режиме пропитки, а в основном в режиме гидроразрыва, когда грунт армируется сеткой заполняемых твердеющим материалом трещин. В пространстве между трещинами грунт уплотняется в процессе консолидации.
При закреплении грунта по методу манжетной технологии инъекционные давления в массиве обычно составляют сотни килопаскалей. Ввиду гидроразрывов в грунте и последующей инъекции при таких давлениях, вблизи инъектируемых зон возникают пластические деформации, в связи с чем аналитическое моделирование перечисленных процессов в рамках упругого подхода невозможно. Поэтому моделирование процессов гидроразрыва и инъекции возможно только при использовании численных методов, использующих упругопластическую модель среды.
Впервые алгоритм численного моделирования закрепления грунтов с использованием высоконапорной инъекции был доложен И.И.Сахаровым на II Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике «МЕХАНИКА - 99» [132]. В дальнейшем эта методика, для реализации которой использовался программный комплекс А.Б.Фадеева «Геомеханика», получила отражение в работах И.И.Сахарова и М.Аббуда [133,134], М.Аббуда [1] и И.И.Сахарова [130,129].
Методика численного моделирования на базе комплекса «Геомеханика» базировалась на установленной в ходе лотковых экспериментов геометрии растворной линзы. Моделирование образования линзы в грунте в осесимметричной постановке заключалась в раздельном установлении стадий гидроразрыва и инъекции. Для установления параметров гидроразрыва в области предразрушения в грунте задавались всесторонние давления, имитирующие инъекцию раствора в грунт на его контакте с разрушаемой обоймой. Инъекция раствора имитировалась приложением разнонаправленных вертикальных давлений к бортам трещины, размеры которой были получены на ранней стадии решения.
Результаты численных расчетов позволяли установить зоны пластики в окрестностях линзы и смещения вышерасположенного фундамента, основание которого подвергалось закреплению. Возможность догрузки закрепленного основания также моделировалась численно, при этом было показано, что при отсутствии уплотнения грунта между линзами повышения несущей способности основания не происходит. Уплотнение грунта между линзами оценивалось по простейшей зависимости между модулем деформации глинистых грунтов и уплотняющими давлениями , = Ср„ где коэффициент С принимался равным 50 [110].
Необходимо заметить, что изложенная методика численного моделирования [132] имела ряд недостатков. Основным из них являлась невозможность учета консолидации грунта, а следовательно и его уплотнения между линзами. Этот недостаток вытекал прежде всего из того обстоятельства, что базовый комплекс «Геомеханика» не имел возможности вычислять значения поровых давлений. Кроме того, в цитированных выше работах не предусматривалось моделирование режима неоднократных инъекций. И, наконец, существующая методика численного моделирования фактически не позволяла оценить значения приобретенных механических характеристик закрепляемого грунта. В связи с этим, развитие методики, изложенной в [132], должно предусматривать решение перечисленных вопросов.
Рассмотрим характерное для манжетной технологии упрочнение слабых водонасыщенных грунтов при высоконапорном инъектировании в трещины, образованные при гидроразрыве. При моделировании были приняты следующие допущения. 1. Уровень грунтовых вод совпадает с поверхностью грунта. 2. Инъектирование производится снизу вверх. Первый разрыв (горизонтальный) на глубине 4 м, второй - на глубине 3,5 м и т. д. 3. На глубине 4,5 м предполагается наличие прочного практически несжимаемого и водонепроницаемого грунта, который простирается на большую глубину. 4. На поверхности грунта предполагается наличие пригрузки (фундамента). Под подошвой фундамента имеется песчаный дренирующий слой. 5. Расстояние между инъекционными скважинами, исходя из имеющегося опыта производства работ на объектах Санкт-Петербурга, принято равным 1,2 м. Ввиду симметрии рассматривается часть расчетной схемы - область радиусом 0,6 м, по оси которой расположен инъектор, то есть задача является осесимметричной. Так как при образовании гидроразрыва в слабых грунтах горизонтальная трещина беспрепятственно распространяется на значительное расстояние, предполагается, что в радиальном направлении разрыв распространяется на всю рассматриваемую область. 6. Разрыв заполняется раствором под давлением, в результате чего полость расширяется, грунт при этом уплотняется. Предполагается, что ввиду трения раствора о стенки трещины при движении раствора к периферии и увеличения его загустевания во времени раскрытие трещины уменьшается по мере удаления от инъектора. При уплотнении грунта вода отжимается вверх и вниз от разрыва. 7. Увеличение времени нагнетания раствора в каждый горизонт должно приводить к более эффективному консолидационному уплотнению грунта. При этом продолжительность нагнетания ограничивается временем схватывания раствора, которое обычно не превышает 2 часов. Были рассмотрены две теоретически возможные схемы уплотнения.
В схеме № 1 предполагалось, что нагнетание раствора в каждый разрыв происходит в течение максимально продолжительного времени (2 часа). В первый момент после приложения давления раствора по контуру трещины это давление практически полностью передается на воду. Поровое давление в грунте при этом повышается. В течение двух часов продолжается расширение полости, заполняемой раствором, происходит выдавливание воды вверх и частично вниз от трещины. Поровое давление рассеивается, эффективные напряжения возрастают, полость, заполняемая раствором, (трещина) расширяется. Грунт уплотняется.
В схеме № 2 предполагалось мгновенное заполнение раствором сначала первого разрыва, затем второго. После чего подача раствора прекращается, в грунте возникают избыточные поровые давления, которые постепенно рассеиваются.
Сопоставление результатов натурных исследований и численного моделирования изменения порового давления при инъектировании
Разрывная технология инъекционного закрепления грунтов с использованием манжетных труб, при участии автора, была применена ЗАО «Геострой» при реконструкции административного здания в Санкт-Петербурге по адресу: Синопская набережная, 74 зимой 2000 г.
Инженерно-геологические условия отличались наличием в основании существующих фундаментов несвязных обводненных грунтов - пылеватых песков, несущая способность которых была не достаточна для восприятия дополнительных нагрузок при реконструкции и обеспечения устойчивости при углублении подвального помещения.
В соответствии с разработанным проектом инъекционного закрепления основания предусматривалось создание сети скважин глубиной до 2,50-3,00м с шагом приблизительно 0,8м. Подача раствора осуществлялась в три горизонта на отметках -2,3м, -1,8м и -1,3м (относительно пола подвального помещения). Давление нагнетания составляло 0,4 - 0,5МПа. Использовался цементный раствор М400 с водоцементным отношением 0,5 с добавкой силиката натрия и пластификатора С-3. Схемы расположения инъекционных скважин и описание выполненных на объекте работ приведено в главе 5.
Целью моделирования напряженно деформированного состояния грунта основания, являлась оценка степени консолидационного уплотнения грунта и повышения значений его модулей деформации. При моделировании напряженно-деформированного состояния грунта основания при инъектировании использовалась программа PLAXIS.
Водонасыщенный пылеватый песок имеет следующие характеристики: плотность - 1,97г/см3; плотность сухого грунта - 1,4г/см3; коэффициент фильтрации - 0,08м/сут; модуль деформации - ЮМПа; коэффициент Пуассона - 0,35; сцепление - 1кПа; угол внутреннего трения - 30.
Уровень грунтовых вод совпадает с поверхностью грунта. На глубине более 4 м предполагалось наличие прочного практически несжимаемого грунта, который простирается на большую глубину и в расчете не учитывается. На поверхности грунта предполагалось наличие песчаного дренирующего слоя и пригрузки (пол подвального помещения), исключающей подъем поверхности при инъектировании.
Расстояние между инъекционными скважинами 0,8 м. Таким образом, рассматривается область радиусом 0,4 м, по оси которой расположена манжетная колонна. Инъектирование производится снизу вверх. Первый разрыв (горизонтальный) на глубине 2,3 м, второй - на глубине 1,8 м, третий - на глубине 1,3 м. Время нагнетания раствора в каждый интервал принималось равным 15-30 минут. Метод расчета и используемая модель грунта описаны в главе 3. Была выполнена серия расчетов при величинах давления раствора 400 и 500 кПа. Принималось, что при нагнетании раствора нагрузка на грунт при удалении от оси инъектора на 0,4 м линейно снижается на 30 - 40 % .
Напряженно-деформированное состояние грунта представляется в виде распределения полных и эффективных средних напряжений и распределения поровых давлений. На глубине 1,5 — 2,5 м природные полные средние напряжения составляют 30 - 50 кПа, эффективные средние напряжения составляют 15-25 кПа, поровые давления составляют 15-25 кПа.
Максимальные мгновенные смещения при нагнетании раствора в первый горизонт (при раскрытии трещины) составляют 4-5 мм. В результате консолидационного уплотнения грунта полость в грунте, заполняемая раствором, увеличивается. Максимальные смещения грунта при этом составляют приблизительно 40 мм. Значения полных средних напряжений в области интенсивного уплотнения грунта (рис. 53 а) достигают 220 - 280 кПа. Эффективные значения средних напряжений существенно возрастают по сравнению с природными значениями, приближаясь к значениям полных напряжений (рис. 53 б). Избыточные поровые давления практически рассеялись.
Исходное значение (10 МПа) модуля деформации пылеватого песка для глубины залегания 1,5 - 2,5 м определено по характерной компрессионной кривой в интервале давлений до 100 кПа. В интервале давлений 100 - 200 кПа значение модуля деформации водонасыщенного пылеватого песка составляет 16,7 МПа, а в интервале 200 - 400 кПа - 25 МПа.
Таким образом в области интенсивного уплотнения грунта значение модуля его деформации увеличивается приблизительно в два раза.
После заполнения раствором полости на глубине 2,3 м начинается подача раствора в трещину на глубине 1,8 м. Раскрытие второй трещины при соответствующем давлении раствора меньше чем первой. В результате консолидационного уплотнения грунта полость, заполняемая раствором, несколько увеличивается, эффективные значения средних напряжений существенно возрастают, избыточные поровые давления в зоне уплотнения практически рассеиваются. Зоны интенсивного уплотнения, образовавшиеся при раскрытии двух трещин, сливаются в одну. Значения полных средних напряжений находятся в диапазоне 220 - 280 кПа (рис. 54 а). Эффективные средние напряжения достигают значений 200 - 280 кПа (рис. 54 б).
Таким образом на основании моделирования можно утверждать, что значение модуля деформации грунта после уплотнения лежит в интервале от 16,7 до 25 МПа.
Аналогичные процессы наблюдаются при последующем инъектировании в третий горизонт.
В результате вокруг инъекционной скважины помимо пространственного каркаса из затвердевшего раствора формируется сплошная область уплотненного грунта с повышенным значением модуля деформации.
При упрочнении грунтов по инъекционной разрывной технологии наиболее достоверными являются результаты определений характеристик грунтов, полученные с помощью неразрушающих комплексных геофизических методов, дающих интегральные характеристики испытуемых грунтов.
По окончании работ по инъекционному закреплению грунтов основания на рассматриваемом объекте силами специализированного научно-производственного предприятия «Нейво» была выполнена оценка деформационных характеристик закрепленного грунтового массива методом сейсмического просвечивания.
Физической основой использования сейсмоакустических методов является наличие связи между замеряемыми сейсмоакустическими характеристиками грунтов, в частности скоростями распространения продольных и" поперечных упругих волн и показателями физико-механических свойств грунтов.
