Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ применения технологии компенсационного нагнетания 11
1.1. Общие сведения 11
1.2. Опыт применения технологии компенсационного нагнетания 20
1.3. Основные выводы 40
ГЛАВА 2. Лабораторное и теоретическое исследования компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор 41
2.1. Общие положения 41
2.2. Лабораторный эксперимент компенсационного нагнетания через одну манжету 41
2.3. Теоретическое исследование компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор 49
2.4. Сравнение результатов теоретического решения и лабораторного эксперимента 68
2.5. Выводы по главе 70
ГЛАВА 3. Численное моделирование геотехнических процессов при компенсационном нагнетании через один инъектор 71
3.1. Общие положения 71
3.2. Численное моделирование компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор в ПВК «Z-Soil» 72
3.3. Результаты численного моделирования. Их сравнение с результатами лабораторного эксперимента, и теоретического решения задачи компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор 79
3.4. Выводы по главе 91
ГЛАВА 4. Количественная оценка параметров компенсационного нагнетания на основе численного моделирования при решении инженерных задач 92
4.1. Общие положения 92
4.2. Планирование численного эксперимента 93
4.3. Разработка математической модели для ПВК «Z-Soil» для исследования геотехнических процессов при компенсационном нагнетании 98
4.4. Исследование НДС грунтов основания зданий и сооружений для выполненной серии численных экспериментов по компенсационному нагнетанию 99
4.5. Вывод уравнений регрессии для определения объёмов, требуемых при компенсационном нагнетании 103
4.6. Построение номограмм по полученным уравнениям для экспресс-определения требуемых объемов нагнетания 103
4.7. Выводы по главе 116
Заключение 117
Библиографический список использованной литературы
- Опыт применения технологии компенсационного нагнетания
- Теоретическое исследование компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор
- Результаты численного моделирования. Их сравнение с результатами лабораторного эксперимента, и теоретического решения задачи компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор
- Разработка математической модели для ПВК «Z-Soil» для исследования геотехнических процессов при компенсационном нагнетании
Опыт применения технологии компенсационного нагнетания
Ведение подземных строительных работ в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений поставило перед инженерами проблему влияния подземного строительства на прилегающую городскую застройку, проявившуюся в развитии дополнительных деформаций основания фундаментов зданий и сооружений [24]. Очень часто эти деформации превышали допустимые значения, что приводило к образованию дефектов в конструкциях зданий и сооружений, нередко вызывавших их полное разрушение [37, 58].
С целью исключения подобных аварийных ситуаций было разработано большое количество методик, как по оценке влияния подземного строительства [29, 33, 35, 39, 58], так и по развитию способов, направленных на минимизацию это влияние на окружающую застройку [6,9,10, 41, 49, 50]. Большой вклад для решения этого вопроса в нашей стране внесли: Авершин С.Г., Богомолова О.В., Власов С.Н., Воробьев Л.А., Гарбер В.А., Голубев В.Г., Демешко Е.А., Дорман И.Я., Иофис М.А., Ильичев В.А., Конюхов Д.С., Лиманов Ю.А., Маковский Л.В., Меркин В.Е., Муллер В.Ф., Никифорова Н.С., Разводовский Д.Е., Петрухин В.П., Смирнова Г.О., Чеботаев В.В., Шилин А.А., Шулятьев О.А, Щекудов Е.В., Яровой Ю.И. и др. За рубежом этот вопрос решался в работах Bezuijen A.F., Н.Т. Chen., Е. Falk., S. P. Kaushish, D. Kolymbas, Y. Kojma, H. Knitsch., R. Kleinlugtenbelt, T. Ramamurthy H.F. Schweiger, T. Telford, L.W.Wong, A.M. Wood, K. Yashiro.
В основном, все способы по обеспечению сохранности зданий и сооружений сводятся к решению одной задачи - недопущению развития сверхнормативных дополнительных деформаций основания фундаментов существующих зданий и сооружений в зоне влияния подземного строительства, такие как: усиление фундаментов посредством задавливания свай; закрепления грунтов основания фундамента посредством струйной цементации выполнение армирования грунтов основания; химическое закрепление грунтов основания посредством силикатизации, смолизации, цементации или пропиткой тонкодисперсными суспензиями (микроцементы типа «Микродур)»; усиление фундаментов посредством устройства буроинъекционных свай или микросвай типа «Титан»; изменение конструкций фундаментов с целью увеличения площади опирания. Описанные выше методы предполагают предотвращение расчетных значений дополнительных деформаций основания фундаментов без исправления уже проявившихся осадок.
Исходя из выше сказанного, кажется логичным, что первое упоминовение о методе компенсационного нагнетания было связано как раз с необходимостью компенсировать уже проявившееся осадки, предсказать и заранее оценить которые оказалось невозможным. Таковым опытом стал исправление осадки у коксовой печи (Эссен, Германия) с помощью инъектирования цементного раствора в основание её фундамента. Данный опыт был описан в 1951 г. [96, 98] В дальнейшем данный метод стал применяться все чаще и чаще (подробнее см. 1.2), постепенно превратившись в инструмент не только исправления уже имеющихся осадок у зданий и сооружений, но и в метод, позволяющий не допускать развития сверхнормативных осадок [80, 104].
Особенно остро проблема устранения сверхнормативных дополнительных деформаций основания фундаментов существующих зданий и сооружений проявилась при строительстве тоннельных сооружений и освоении подземного пространства в условиях плотной городской застройки.
Одним из наиболее эффективных методов, обеспечивающих надежную защиту объектов в зоне влияния строящихся подземных сооружений и дающих технологические и экономические преимущества, как показала мировая практика последних лет, является метод компенсационного нагнетания, который достаточно широко используется в зарубежном геотехническом строительстве, но находит весьма ограниченное применение в России.
Сущность метода компенсационного нагнетания заключается в инъекции медленно твердеющего раствора на минеральной основе с требуемой вязкостью в предварительно подготовленные грунты основания здания или сооружения для исключения дальнейшей осадки или ее компенсации. Это позволяет, в частности, сформировать расчетное напряженно-деформируемое состояние массива грунта, обеспечивающее управляемый, подъем надземного сооружения, используя эффект домкрата, размещенного под всей его площадью в основании (рисунок 1.3.).
Теоретическое исследование компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор
В то же время, напряженно-деформированное состояние и граничные условия, реализуемые в эксперименте и получаемые решением задачи Ляме, отличаются, поэтому в данных исследованиях задача Ляме использовалось с рядом допущений, справедливость которых проверялась сравнением результатов эксперимента и теоретического решения. Были приняты следующие допущения:
Внешняя окружность расчетной схемы задачи Ляме вписывается в испытательную камеру лабораторной установки (рисунок 2.7). При этом, в решении задачи Ляме распределение напряжений по внешней границе – равномерное, а перемещения при нагнетании приравниваются нулю. В эксперименте же верхняя граница находится под постоянным давлением (моделирование давления фундамента) и имеет возможность перемещаться, вследствие чего граничные условия в задаче Ляме и в эксперименте отличаются. Для устранения этого несоответствия использовался следующий искусственный прием. Отдельным расчетом из напряжений в точке А, полученных из решения задачи Ляме, вычиталось действующее в эксперименте на верхней границе давление Р. По полученной разности напряжений рассчитывался подъем точки А (поскольку перемещение в эксперименте фиксировались только в этой точке), после чего проводилось сравнение полученного результата с лабораторным.
. Рассматриваемый лабораторный эксперимент проводился в песчаном грунте, линейно - деформирующимся при сжатии, и не воспринимающем растяжение [14]. Кроме того, при повышении давления нагнетания грунт уплотнялся, что приводило к возрастанию его упругих характеристик [18, 20]. Учитывая это, задача решалась пошагово, т.е., в каждом последующем расчете использовались результаты расчёта, полученные на предыдущем шаге.
При теоретическом решении, используя уравнения задачи Ляме, необходимо задать соответствующие граничные условия, а также геометрические и физико-механические характеристики расчётной области (рисунок 2.7).
Для решения задачи необходимы следующие исходные данные: радиусы расчетной области (внешний и внутренний), приложенное к границам (внешней и внутренней) давление, а также, упругие характеристики грунтового массива. Внешний радиус задается значением радиуса окружности, которая вписывается в испытательную камеру лабораторной установки. Внутренний радиус принимается в соответствии с радиусом внешнего диаметра манжетного инъектора. Внутреннее давление подбирается в расчете из условия нулевых перемещений по формуле 2.1, так как стенки внутреннего кольца не перемещаются за счет жесткости стенок манжетного инъектора. Внешнее давление принимается равным давлению по подошве фундамента, для которого по той же формуле определяется перемещение. Упругие характеристики должны соответствовать характеристикам, засыпаемого в испытательную камеру, песка.
В начале расчёта, после задания граничных условий, производится расчет начального напряженно-деформированного состояния (нулевой шаг), результатом которого является значение перемещения внешней границы, при нулевых перемещениях внутренней. Значение перемещений на внешней границе, полученные на нулевом шаге, в дальнейшем вычитается из значений перемещений внешней границы, подсчитанных на всех последующих шагах, тем самым сбрасываются деформации начального состояния.
На первом шаге (начало компенсационного нагнетания), предлагается принимать значение внутреннего давления нагнетания раствора таким образом, чтобы получаемые в этом случае тангенциальные растягивающие напряжения и соответственно перемещение внутренней границы, определяемые по формуле 2.1, были незначительными. Такой прием используется, поскольку грунт не работает на растяжение, а под действием внутреннего давления на этой границе происходит образование множества микроразрывов грунта и перекомпоновка песчаных частиц.
Приняв для всех расчетных шагов смещение внутренней границы одинаковой можно заранее оценить изменение упругой характеристики вследствие уплотнения песка на каждом шаге по формуле 2.2[52], значение шага увеличения внутреннего радиуса определяется сравнением получаемых результатов с экспериментальными.
Результаты численного моделирования. Их сравнение с результатами лабораторного эксперимента, и теоретического решения задачи компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор
Компенсационное нагнетание моделируется увеличением объёмов конечных элементов, расположенных вокруг инъектора в центре испытательной камеры, на заданный объем нагнетания. Для оптимизации разбиения сетки конечных элементов, функцией объемной деформации наделяются только конечные элементы, моделирующие область, соответствующую предполагаемому объему нагнетания. Для моделирования компенсационного нагнетания, выбранным конечным элементам присваиваются функция нагрузки и коэффициент дополнительной объемной деформацияDe0,i , который фиксирует их увеличение на заданный объем (рисунок 3.2). Присвоение коэффициента дополнительной объемной деформации и соответствующей функции его изменения от шага расчета
Объем нагнетания в зависимости от коэффициента дополнительной объемной деформации для выбранного шага определяется по следующей формуле: УН] = У0 ((A0 y + 1)3 - 1)
Для анализа изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива на нескольких шагах компенсационного нагнетания, объем инъектирования задается пошагово, разбивая суммарный объем на 30 шагов. Выбранная последовательность задается с помощью соответствующего графика линейной зависимости изменения коэффициента дополнительной объемной деформации от шага (рисунок 3.3).
При выполнении численного моделирования, распределение объема компенсационного нагнетания (изменение формы конечных элементов) зависит от упругих характеристик и напряженного состояния окружающих конечных элементов. При этом объем нагнетания всегда соответствует заданному значению коэффициента дополнительной объемной деформации для рассматриваемого шага.
Значение давления можно определить по действующим нормальным напряжениям на границе зоны нагнетания с окружающим грунтом.
Численный расчет для разработанной конечно-элементной модели ведется в два этапа. Первый этап включает расчет начального напряженно-деформированного состояния. На данном этапе определяются все действующие напряжения от действия внешних сил и собственного веса конечных элементов. Посчитанные на первом этапе расчета деформации обнуляются, поскольку они уже реализовались до начала процесса компенсационного нагнетания. Второй этап является основным. На данном этапе расчет ведется для заданного количества шагов, при котором полученные значения напряжений, перемещений, зон пластических деформаций и т.д. используются в расчете следующего шага. 3.3. Результаты численного моделирования. Их сравнение с результатами лабораторного эксперимента, и теоретического решения задачи компенсационного нагнетания через один манжетный инъектор
Анализ развития зоны нагнетания показывает, что в процессе инъектирования компенсационного раствора наибольшая область перемещений точек грунта формируется над инъектором, увеличиваясь с возрастанием объёмов нагнетания. Увеличение этого объёма приводит к постепенному подъёму точек поверхности грунта. Максимальный подъём наблюдается в точке А. Таким образом, возможность смещения верхней границы расчётного фрагмента, и, как следствие, неравномерное уплотнение грунта по различным направлениям, приводит к тому, что большая часть объёма закачиваемого раствора идёт на подъём частиц грунта в вертикальном направлении.
Анализ изменения формы зоны нагнетания, в частности вертикальных перемещений (рисунок 3.5), показал существенную разницу между перемещениями верхней (41,5 мм) и нижней (27,2 мм) границ. Полученная разница обусловлена возможностью перемещения верхней части лабораторной установки, а также разницей деформационных характеристик грунта, которая проявляется в модели упрочняющегося грунта по мере компенсационного нагнетания. Максимальные горизонтальные перемещения (36,4 мм) зоны нагнетания (рисунок 3.6) занимают промежуточное значение в сравнение с перемещениями верхней и нижней границ по тем же, описанным выше, причинам. В таблице 3.4 приводятся данные перемещений характерных точек для всех расчетных шагов. Анализ напряженного состояния (рисунок 3.7), показал несколько завышенные данные нормальных напряжений на границе зоны нагнетания в сравнение с результатами лабораторного эксперимента, что может быть обусловлено учетом работы грунтового массива на растяжение.
Изополя вертикальных нормальных напряжений на момент завершения компенсационного нагнетания (поперечный разрез по манжете) Таблица 3.4 Данные численного моделирования лабораторного эксперимента №3- № шага Перемещения ur (мм) в точках Объемнагнетания,V (мл) Эффективностьнагнетания, eff(%)
Анализ графиков на рисунок 3.8 показывает, что в начальной стадии нагнетания перемещения в горизонтальном направлении (точка С) превышают вертикальные перемещения, что объясняется меньшими горизонтальными нормальными напряжениями в сравнении со значениями вертикальных нормальных напряжений. По мере возрастания объёмов нагнетания горизонтальные нормальные напряжения растут вместе с увеличением модуля деформации уплотнённого грунта, в связи, с чем рост горизонтальных перемещений замедляется. После того как боковые напряжения начинают превышать значения вертикальных напряжений, рост вертикальных перемещений становится всё более интенсивным по сравнению с ростом горизонтальных перемещений, что наглядно иллюстрируется графиками на рисунок 3.8.
Разработка математической модели для ПВК «Z-Soil» для исследования геотехнических процессов при компенсационном нагнетании
Теория планирования эксперимента подразумевает нахождение выбранной функции отклика, в зависимости от выбранных факторов, принимаемых в качестве изменяемой величины и образующей область определения фактора, которые свою очередь в совокупности дают область эксперимента[1,3,4].
Выбор факторов и их области определения является наиболее важной задачей, так как от их выбора зависит достоверность в дальнейшем получаемого уравнения функции отклика.
Проанализировав имеющиеся работы по компенсационному нагнетанию [21, 26, 27, 28, 30 - 34, 44, 47, 48, 59, 61 – 67, 69 – 85, 89 – 94, 96] в качестве функции отклика было принято значение подъема фундамента, для которой подобраны три основных, наиболее значимо влияющих на нее, фактора, а именно: X1 – удельный объем компенсационного нагнетания V (л/м2); X2 – деформационная механическая характеристика основания – секущий модуль деформации при 50% прочности E50 (кН/м2); X3 –давление на подошве фундамента сооружения P (кН/м2). Существующий четвертый фактор – расстояние от зоны нагнетания до фундамента, был исключен на основе результатов диссертационной работы Кравченко В.В.[28], на основании которой можно однозначно сделать вывод, что при увеличении расстояния от зоны нагнетания до фундамента снижается эффективность применяемой технологии. В связи с однозначностью влияния описанного выше фактора для всех численных опытов принимается его постоянная минимальная величина (1,5 м). Минимальное значение назначается по технологическим соображениям, из-за риска возможного выхода раствора на границу с фундаментом при расстоянии меньше 1,5 м (для рассматриваемого диапазона объемов нагнетания, описанных ниже).
После выбора основных факторов на основании проектной и научно-технической документации АО «Мосинжпроект», разработанной для строительства московского метрополитена, был выполнен ее анализ с целью определения верхнего и нижнего уровней факторов и интервалов их варьирования.
Объем компенсационного нагнетания (фактор х1), задается удельным значением, приведенным к 1 м2. Значения удельных объемов были приняты в диапазоне от 300 до 900 л/м2, исходя из общей строительной практики применения данной технологии, для случаев, когда требовалось компенсировать не более 10 см дополнительных деформаций основания зданий и сооружений, что соответствует примерно 80% всех случаев применения.
Для описания поведения грунта была принята модель упрочняющегося грунта (Hardening soil), параметры которой задавались для всех численных опытов либо как константы, либо по зависимостям исходя из выбранного модуля деформации (Таблица 4.1).
Диапазон варьирования модуля деформации (фактор х2) был принят из значений, наиболее часто встречающихся в центральной части России, в частности были проанализированы данные инженерно-геологических изысканий города Москва, на основании которых был принят диапазон от 20 до 40 МПа.
Коэффициент переуплотнения грунта 1 м Степенной показатель жесткости 0,5 Нормальное напряжение при определение Eoedref 100 кН/м2 Orel Нормальное напряжение при определение Е50ref ,Eurref 100 кН/м2 Коэффициент Пуассона 0,33 ur Коэффициент Пуассона при разгрузке 0,2 С Сцепление 0...2 кН/м2 Угол внутреннего трения 10,895(Е50ref)0,33 град. Угол дилатансии, принимает значения 0 0 град. – вследствие малого диапазона изменения удельного сцепления песчаных грунтов, зависимость их от модуля деформации не дается, значения принимаются по рекомендациям нормативной документации, учитывая и Е50ref [49].
Диапазон варьирования значений нагрузки по подошве фундамента от здания (фактор х3) был принят на основании анализа отчетов по оценке влияния подземного строительства, в частности объектов метрополитена в городе Москва, выполненных НИЦ ОПП АО «Мосинжпроект», который показал, что наиболее часто встречающаяся этажность застройки лежит в диапазоне от 5 до 15 этажей, что соответствует давлению на грунт в диапазоне от 50 до 150 кН/м2.
В соответствии с описанными выше предпосылками, в таблице 4.2 приводятся значения факторов и интервалы их варьирования.
Математическая модель для проведения серии численных экспериментов разрабатывалась, по аналогии с описанными в главе 3 общими предпосылками. Расчетная конечно-элементная схема создавалась в объемной постановке в сертифицированном программно-вычислительном комплексе для решения геотехнических задачZ_Soil (Швейцария).
Принятая пространственная расчётная схема представляет собой параллелепипед с основными размерами 60х70х30 м (рисунок 4.1). Размеры расчетной области принимались исходя из требования сохранения природных напряжений на границах схемы на всех этапах моделирования. Здание моделировалось массивом с приведенной жесткостью [16] размерами в плане 20х10 м и глубиной заложения относительно земной поверхности 1,6 м. По внешней границе фундамента здания был задан контактный элемент, позволяющий моделировать сдвиговые деформации грунта относительно фундамента в процессе компенсационного нагнетания.
Нагрузка от наземных конструкций задается равномерно-распределенной из расчета 10кН/м2 с одного этажа.
Зона компенсационного нагнетания расположена на глубине 1,5 м от подошвы фундамента, размерами в плане 18х8 м и имеет мощность 1 м. Размеры зоны компенсационного нагнетания (на уровне инъекторов) принимаются в плане меньше размеров здания, поскольку границы области силового воздействия, вызываемого компенсационным нагнетанием, увеличиваются по мере приближения к земной поверхности. Контактный элемент
Зона нагнетания Рисунок 4.1. Расчетная схема (четверть схемы скрыта) Грунтовое основание во всех опытах принято песчаным, т.к. компенсационное нагнетание в связных грунтах так или иначе связано с процессом гидроразрыва (так называемое кливажное нагнетание), численное моделирование которого весьма затруднительно из-за хаотического характера образования разрывов и сложности прогнозирования их распространения.