Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные организационно-технологические решения по устройству фундаментов на сильносжимаемых грунтовых основаниях 11
1.1. История развития и анализ современных организационно-технологических решений по устройству фундаментов многоэтажных зданий 11
1.2. Классификация современных технологий подготовки оснований и устройства фундаментов многоэтажных зданий 14
1.2.1. Открытый способ 14
1.2.2. Полузакрытый способ 16
1.2.3. Конструкции фундаментов 16
1.2.4. Организационно-технологические особенности работ «нулевого цикла» 19
1.3. Технологии улучшения строительных свойств слабых пылевато-глинистых грунтов и их предварительное напряжение 23
1.3.1. Техническая мелиорация грунтов 23
1.3.2. Технологии регулирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива грунта и его предварительного напряжения 28
1.3.3. Технология комбинированных свайно-плитных фундаментов (КСПФ) с преднапряженным «опрессовкой» грунтовым основанием 38
1.4. Выводы по главе 1 42
Глава 2. Выявление технологических параметров опрессовки грунтового основания 43
2.1. Особенности инженерно-геологических условий четвертичных отложений 43
2.2. Технология устройства экспериментальной модели КСПФ и обоснование эффективности применения опрессовки основания 45
2.3. Выявление технологических параметров опрессовки грунтового основания под фундаментом многопролетного сооружения на основании численного моделирования 50
2.4. Выявление технологических параметров восстановления контактного слоя «ростверк - грунтовое основание» опрессовкой на основании численного моделирования 63
2.5. Выводы по главе 2 70
Глава 3. Выявление организационно-технологических параметров и контроль качества устройства КСПФ 72
3.1. Критерии выбора рациональных организационно-технологических решений 72
3.1.1. Анализ вариантов организационно-технологических схем возведения плитно-свайных фундаментов 76
3.2. Классификация типоразмеров и разновидностей конструкций 81
3.3. Рекомендации по разработке проектов производства работ (ППР) 91
3.3.1. Технологическое оборудование для выполнения опрессовки 91
3.3.2. Методика определения объема раствора для опрессовки 98
3.3.3. Организация работ 104
3.3.4. Определение продолжительности работ 109
3.4. Контроль качества выполняемых работ 121
3.5. Выводы по главе 3 126
Глава 4. Методика технологии и организации работ по устройству КСПФ с опрессовкой основания 128
4.1. Особенности технологии земляных и подготовительных работ 128
4.1.1. Особенности технологии устройства оснований в зимний период 134
4.1.2. Технология устройства КСПФ с применением технологии восстановления контактного слоя «ростверк - основание» 135
4.2. Особенности технологии арматурных и опалубочных работ 142
4.3. Рекомендации по организации производства бетонных работ 145
4.4. Методика технологии и организации работ по опрессовке основания 148
4.5. Результаты геотехнического мониторинга, сопоставление с результатами расчета 151
4.6. Экономическая эффективность предлагаемых решений 153
4.7. Выводы по главе 4 155
Заключение 156
Список литературы 159
Приложения 175
Приложение А. Справки о внедрении результатов исследования 175
Приложение Б. Патенты на изобретения Российской Федерации 178
Приложение В. Выписка из протокола заседания конференции 180
Приложение Г. Диплом участника выставки «СтройПрогресс» 180
Приложение Д. Дипломы победителя конкурсов 181
Приложение Е. Список работ, опубликованных по теме диссертации 182
- Организационно-технологические особенности работ «нулевого цикла»
- Выявление технологических параметров опрессовки грунтового основания под фундаментом многопролетного сооружения на основании численного моделирования
- Технологическое оборудование для выполнения опрессовки
- Технология устройства КСПФ с применением технологии восстановления контактного слоя «ростверк - основание»
Организационно-технологические особенности работ «нулевого цикла»
Современные многоэтажные здания повсеместно создаются с развитой более широкой заглубленной подземной частью, где глубина заложения фундаментов – 10…20 м и более.
При устройстве подземной части открытым способом разработка грунта выполняется с применением одноковшовых экскаваторов. Разработка ведется по 3-4 м и выполнение таких процессов требует детальной проработки схем движения техники [9].
Для разработки грунта под защитой перекрытий применяют малогабаритную технику (погрузчики, бульдозеры), а выемка грунта через технологические проемы может осуществляться при помощи кранов, грейферных экскаваторов.
Стадия земляных работ сопровождается специальными работами по водопонижению, защите от грунтовых вод, устройству гидроизоляции. Данные работы, как правило, выполняются специализированными организациями, поскольку требуется применение спецтехники и оснастки. Технология и организация выполнения работ требуют тщательной проработки в разделах ПОС и ППР.
Особое внимание следует уделять предварительной подготовке грунтового основания перед устройством плитных элементов фундаментов. Подготовка заключается в устройстве песчаной или щебеночной подготовки, с последующим выполнением бетонной подготовки толщиной не менее 100 мм. В некоторых случаях подготовку армируют, например, для восприятия технологических нагрузок от строительной техники. При водонасыщенном глинистом основании бетон подготовки рекомендуется укладывать на втрамбованную щебенистую подушку толщиной не менее 250 мм [99].
Важным организационно-технологическим параметром устройства фундаментов и подготовки основания является сезонность производства. Зачастую межсезонные изменения температуры воздуха и атмосферные осадки будут оказывать влияние на способы выполнения работ, применяемые механизмы, организацию работ.
В случае устройства подземной части здания открытым способом, следует выполнять мероприятия, максимально снижающие перерыв между разработкой котлована и устройством фундамента, который не должен превышать двух суток [86]. Требования СП 45.13330 гласят: «При вынужденных перерывах должны быть приняты меры по сохранению природных структуры и свойств грунтов, а также против обводнения котлована поверхностными водами и промораживания грунтов, либо выполнена консервация котлована». Согласно СП 45.13330 при производстве земляных работ предписаны следующие меры по «сохранению природной структуры» грунтов основания:
- п. 6.1.5: «… разработку элювиальных грунтов, меняющих свои свойства под влиянием атмосферных воздействий, следует осуществлять, оставляя защитный слой величиной не менее 0,2 м. Защитный слой удаляется непосредственно перед началом возведения сооружения»;
- п. 11.25: доработку защитного слоя до проектной глубины следует выполнять с сохранением природного сложения грунтов. В этом пункте: «Основания, нарушенные при производстве работ в результате промерзания, затопления, перебора грунта и т.д., должны быть восстановлены способом, согласованным с проектной организацией»;
- п. 11.8: «методы производства работ не должны допускать ухудшение строительных свойств грунтов основания (повреждение механизмами, промерзание, размыв…)»;
- п. 11.23: «при разработке котлована в водонасыщенных грунтах следует предусматривать меры, исключающие оплывание откосов, суффозию и выпор грунта основания. В случае если основание сложено водонасыщенными мелкими и пылеватыми песками или глинистыми грунтами текучепластичной и текучей консистенции, должны быть приняты меры по их защите от возможных нарушений при движении землеройных и транспортных машин, а также разжижения вследствие динамических воздействий».
Особенно важно обеспечить выполнение данных требований при возведении КПСФ, которые, как уже отмечалось выше, передают нагрузку на основание через все свои конструкции (сваи, плиту). В КПСФ одним из основных является взаимодействие плиты-ростверка (низкого ростверка) с грунтом основания [24, 49, 66]. Расструктуривание грунтов приводит к снижению физ.-мех. характеристик в слое под подошвой фундамента. В этом случае ростверк вступает в работу с основанием с непроектным «запаздыванием» [24, 64, 66], что может приводить к сверхнормативным деформациям и снижению работоспособности фундаментов.
Стадия устройства плитных элементов фундаментов
Устройство фундаментной плиты в потоке работ по выполнению работ «нулевого цикла» может являться весьма трудоемким и длительным технологическим этапом, требующий от генподрядчика наличия необходимых машин и механизмов, оснастки, специальной организационно-технологической подготовки [176 – 178]. Фундаментные плиты, а также плитные ростверки в составе свайных и комбинированных фундаментов, воспринимающие нагрузки от многоэтажных зданий, могут достигать в высоту (толщину) до 6 м и более и иметь общий объем в несколько десятков тысяч кубических метров. Такие конструкции повсеместно выполняют из монолитного железобетона. Значительная толщина плит, высокие требования к качеству производимых работ и качеству готовой конструкции, заглубление фундамента относительно дневной поверхности, и другие обстоятельства обуславливают особенности производства арматурных, опалубочных и бетонных работ.
Арматурные работы. Массивные фундаментные плиты и ростверки, как правило, вверху и внизу имеют многослойные сетки, между которым и расположены поддерживающие каркасы. В приопорных зонах вертикальных несущих элементов выполняется местное дополнительное армирование. Такой арматурный каркас на монтажной стадии требует выполнения конструктивных мероприятий, направленных на обеспечение его устойчивости и безопасности [9].
Для армирования плоских фундаментов рекомендуется применять унифицированные сварные сетки и каркасы. На объектах, где затруднена поставка унифицированных арматурных изделий, а также при использовании стержней больших диаметров рекомендуется применять вязаные сетки и каркасы из отдельных стержней [179]. Стыки стержней и сеток преимущественно устраивают внахлестку без сварки, что облегчает визуальный операционный контроль. Перспективным является армирование из отдельных стержней, стыкуемых обжимными или резьбовыми соединительными элементами (муфтами), их применение может обернуться увеличением продолжительности арматурных работ вследствие усложнения технологии стыковки стержней и операционного контроля.
Сетки промежуточного и верхнего горизонтального армирования опираются на «поддерживающие конструкции», выполненные из стержневой арматуры или профилей (уголок, швеллер и т.п.). Расстояние между этими каркасами определяется из условия обеспечения необходимой жесткости слоев горизонтального армирования на воздействие собственного веса, веса рабочих (арматурщиков и бетонщиков) и массы укладываемого бетона. Кроме того, при выполнении организационно-технической документации на армирование плит следует предусматривать специальные «коридоры» с трапами из арматурной сетки для перемещения рабочих и инженерно-технических работников [180].
Армирование принято разделять на «основное» (фоновое), располагаемое по всей площади плиты, и локальное «дополнительное», располагаемое в наиболее нагруженных местах [181]. В массивных плитах помимо расчетного предусматривают еще и «технологическое» армирование необходимое для восприятия мембранных усилий от температурно-усадочных напряжений, возникающих при твердении бетона. Кроме этого, на этапе арматурных работ устанавливаются выпуски в вертикальные элементы каркаса, которые могут представлять отдельные массивные изделия (конструкции), что обуславливает необходимость их своевременного монтажа [182].
Контроль качества арматурных работ выполняется на месте изготовления (вязки) каркасов и сеток и состоит в проверке длины нахлестки и количества стыкуемых в одном сечении стержней, отклонений в расстояниях между отдельными стержнями и рядами арматуры, толщины защитного слоя бетона, наличия необходимых узлов соединения арматуры и их надежности.
Опалубочные работы. Для возведения массивных фундаментов применяется съемная разборно-переставная щитовая опалубка, либо несъемная плитная опалубка (ж/б элементы, перфорированные разделители) [202, 203]. Опалубка должна быть надежно раскреплена, а ее стыки должны выдерживать технологические нагрузки от бетонной смеси. При невозможности непрерывного бетонирования всего фундамента его разбивают на блоки (карты) бетонирования. Смежные поверхности опалубливаются прочными мелкоячеистыми сетками, либо перфорированными ребристыми, воспринимающим давление слоя подвижной бетонной смеси.
Бетонные работы. Способ выполнения бетонных работ назначают, учитывая размеры захваток в плане, толщину конструкции, а также доступных средств механизации, степени обеспечения работ товарным бетоном. Для массивных плит применяют метод наклонного бетонирования, когда смесь доставляется к месту укладки через разветвленную сеть бетоноводов. При производстве бетонных работ в каждом отдельном блоке требуется обеспечить зону приемки, зону для обеспечения разравнивания смеси, а также и зону в которой выполняется уплотнение бетона [9].
При сосредоточенных объемах работ в массиве и высоком темпе бетонирования могут быть использованы стационарные бетононасосы. Бетонирование в пределах одного блока следует организовывать без образования рабочих швов. Для защиты уложенной смеси от атмосферных осадков и создания специальных температурно-влажностных условий твердения бетона в зимнее время устраивают временный тепляк (влаготеплозащитный контур) [12].
Устройство монолитных фундаментных плит рационально организовывать поточным методом с разбивкой на три ведущих потока – арматурные, опалубочные и бетонные работы. Бетонные работы являются ведущим потоком.
Выявление технологических параметров опрессовки грунтового основания под фундаментом многопролетного сооружения на основании численного моделирования
Технология регулирования НДС основания путем его «опрессовки» основана на контролируемом нагнетании цементного раствора в пролетные части КСПФ. Назначение технологических параметров опрессовки должно выполняться на основе численного анализа. Основной целью численного анализа являлось обоснование влияния организационно-технологических параметров «опрессовки», регулирующей НДС основания в процессе строительства, на абсолютные и относительные деформации КСПФ.
Оценку влияния технологических параметров опрессовки на изменение НДС грунтового массива рекомендуется выполнять путем численного моделирования в специальных геотехнических программных продуктах, реализующих МКЭ, таких как Midas GTS NX (Корея), SoilWorks (Корея), TNO DIANA (Нидерланды), Plaxis (Нидерланды), COSMOS/M (США), Sofistik (Германия), NASTRAN (США), Abaqus, ANSYS (США), ZSoil (Швейцария), FLAC3D (США), FEM-models (Россия) и др.
Описание поведения грунтов выполнялось нелинейной моделью упрочняющегося грунта «Hardening Soil» (HS), поскольку в ней используется гиперболическая зависимость деформаций от девиаторных напряжений, что точнее соответствует реальному поведению грунта. «Модель упрочняющегося грунта» (Hardening Soil model) может применяться для моделирования поведения, как слабых, так и прочных грунтов. Ряд геотехников отмечают, что вместо термина «упрочняющийся» (от англ. hard – прочный, твердый) правильнее употреблять «ужесточающийся» (от слова жесткость), поскольку у грунтов основания при нагружении повышается не прочность, а жесткость, то есть снижается их деформируемость [164, 166, 190]. Главным достоинством модели HS при расчетах связанных с регулированием НДС грунта выступает учёт изменения модуля деформации (Е) при нагружении/разгрузке основания, что очень важно, поскольку при опрессовке происходит обжатие грунта и соответственно увеличение модуля деформации под пролетной частью фундамента. Моделирование технологических процессов опрессовки основания
Численное моделирование технологических процессов опрессовки основания выполняется для анализа взаимодействия КСПФ многопролетного сооружения с опрессовываемым грунтовым основанием, а также для выявления наиболее эффективных организационно-технологических параметров опрессовки и выявления закономерностей их влияния на эффективность использования фундамента и эксплуатационные качества объекта строительства.
Расчетная схема системы «фундамент - зона регулирования НДС - грунтовое основание» должна выбираться на основе архитектурно-конструктивной концепции проектируемого здания или сооружения, а также инженерно-геологических условий площадки строительства. Так, на этапе проектирования фундаментов зданий нормального и повышенного уровня ответственности согласно федеральному закону N384-ФЗ следует учитывать пространственную работу конструкций. Кроме этого, в расчетах необходимо учитывать стадийность выполнения строительных работ и работ по регулированию НДС основания. Для наиболее адекватного учета конструктивных особенностей сооружения и природного напластования грунтов в основании решение поставленных задач следует выполнять преимущественно в трехмерной постановке.
При расчете деформаций основания следует учитывать все стадии формирования его НДС. Исходное НДС массива грунта в общем случае будет определяться собственным весом грунтов, наличием грунтовых вод, влиянием окружающей застройки, наличием крупных подземных инженерных сетей и коммуникаций и т.п. При строительстве изменение НДС основания будет происходить при экскавации котлована (разгрузка основания), водопонижении и т.п. Основная доля вертикальных деформаций основания реализуется при его нагружении в процессе возведения объекта.
С технологической и геотехнической точек зрения на эффективность регулирования НДС основания будут оказывать такие технологические параметры как:
порядок опрессовки по пролетам - последовательность выполнения опрессовки по пролетам КСПФ;
давление опрессовки (ропр) - давление нагнетенного раствора в замкнутом пространстве щебеночной подушки;
период выполнения опрессовки (Т ) - время (стадия) выполнения опрессовки в процессе нагружения основания (строительстве здания). Численное решение на основе МКЭ позволяет оценить влияние указанных параметров на изменение НДС на всех этапах возведения здания [143]. Данные численного расчета позволяют оценить изменение НДС как грунтового основания, так и конструкций сооружения на всех этапах нагружения (строительства).
Для анализа влияния указанных технологических параметров на формирование НДС и конечные деформации здания с помощью программных комплексов Plaxis 2D AE.02 и Plaxis 3D AE.02 с использованием модели Hardening Soil (HS) была рассмотрена задача моделирования пятипролетного КСПФ с опрессовкой грунтового основания, заданного характеристиками, представленными в таблице 2.2. ПК Plaxis – система конечно-элементного анализа, используемая для решения задач инженерной геотехники и проектирования, представляет собой пакет вычислительных программ для расчёта НДС оснований и геотехнических систем.
Учет технологии устройства КСПФ и описание расчетной схемы
Расчетная схема, выполненная в двумерной и трехмерной постановках, представлена многоэтажным железобетонным каркасными зданием на КСПФ. Основание задано грунтовым кластером с размерами 70х60х30м, которые приняты согласно рекомендациям Л.А. Строковой [166] и R. Katzenbach [213]. Сваи квадратного сечения 300х300 мм длиной L=10м c шагом 1,0м заданы элементами типа «embedded beam row». Монолитные ростверки квадратного сечения (1000х1000 мм) из бетона класса В30 объединяют сваи (узлы сопряжения -жесткие). Между ленточными ростверками по щебеночным подушкам выполнены ж/б цилиндрические оболочки толщиной 150 мм и отношением стрелы подъема f/L=8,5 (см. глава 3). Основные технологические этапы возведения здания на КСПФ (создания численной модели) представлены в таблице 2.2.
Каркас здания задан элементами типа «plates» (t=200 мм) с жесткими узлами соединения, шаг вертикальных несущих элементов 6 м (колонны 300х300 мм). Надфундаментный (подвальный) этаж совместно с КСПФ представляет жесткую коробчатую конструкцию, в которой ж/б стены (t=200 мм) объединяют ростверки и диск ж/б перекрытия. Равномерно распределенные нагрузки приложены к перекрытиям, суммарное давление на основание составляет p=300 кПа. Расчеты выполнялись с учетом жесткости фундаментов и надфундаментных конструкций (колонн, перекрытий) [120].
Расчетная схема включала основные этапы устройства КСПФ и возведения каркаса здания. В расчетной схеме между ростверками и грунтом, между щебеночными подушками и грунтом введены интерфейсные элементы («Interface»), которые моделируют взаимодействие между грунтом и возводимой конструкцией посредством коэффициента снижения прочности Rinter. Строительные операции в виде шагов расчета step-by-step представлены в таблице 2.3.
Технологический процесс преднапряжения массива грунта путем его опрессовки в общем случае может быть смоделировано двумя способами. Первый способ заключается в моделировании процесса опрессовки путем присвоения объемной деформации грунтовым кластерам, и может быть использован для моделирования механических процессов, которые проявляются в объемных деформациях. Положительное значение объемной деформации, как правило, означает объемное расширение. Величина объемной деформации может быть найдена как практическими, так и аналитическим методами.
Второй способ заключается в задании линейной (кН/м) или равномерно распределенной (кН/м2) нагрузки по периметру щебеночной подушки. Нагрузка, в данном случае, имитирует всестороннее гидростатическое давление нагнетаемого раствора, действующее на оболочку, ростверки и основание.
В настоящей работе технологический процесс опрессовки моделируется вторым способом через присвоение гидравлических условий кластерам (подушкам из щебня) через функцию опорного давления (pref) позволяющую задавать равномерную нагрузку по периметру кластеров. Данная функция активируется в меню гидравлических условий (water conditions) через опцию «user defined». В руководстве к ПК Plaxis [143] через данную функцию предлагается моделировать процессы цементирования, связанные с передачей давления на окружающий грунт и конструкции. Анализ влияния технологического параметра очередности опрессовки по пролетам на конечную осадку КСПФ
Для определения влияния такого технологического параметра как очередность опрессовываемых пролетов на формирование НДС грунтового основания выполнен ряд численных экспериментов с различной величиной нагруженности основания на период проведения работ по опрессовке. Были исследованы 4 варианта очередности опрессовки по пролетам в продольном сечении КСПФ [152, 153]: №1: 1+5 2+4 3; №2: 3 2+4 1+5; №3: 2+4 3 1+5; №4: 1+5 3 2+4, где 1...5 - номера пролетов согласно рисунку 2.4.
Технологическое оборудование для выполнения опрессовки
Технологические процессы по опрессовке грунтового основания включают приготовление и нагнетание цементного раствора в щебеночную подушку. Выполнение указанных процессов подразумевает применение растворосмесительного и растворонасосного оборудования. Выбор оборудования должен обеспечивать заданную интенсивность работ с максимальным уровнем их механизации с соблюдением необходимых мер техники безопасности.
Состав раствора для опрессовки
Приготовленный раствор должен быть высокопластичным, стабильным, а также удовлетворять требованиям по подвижности, водоотделению, а затвердевший раствор должен обладать требуемой прочностью на сжатие. Помимо этого, усадка раствора при твердении не должна превышать 1%, что делает перспективным применение безусадочных и расширяющихся цементов.
В качестве нагнетаемого раствора следует применять растворную смесь из воды (по ГОСТ 23732) и портландцемента марки не ниже М400 (по ГОСТ 31108 / ГОСТ 10178) с водоцементным отношением (В/Ц) в пределах 0,5-0,8. В качестве катализатора схватывания и твердения может быть использован водный раствор силиката натрия по ГОСТ 13078 ((Na2O(SiO2)n) в размере до 5% массы цемента. Для получения минимального водоотделения используется бентонит в размере до 10% массы цемента. Суперпластифицирующая добавка С-3, обеспечивающая высокие параметры стабильности готового раствора, а также возможность его хорошего прохождения через высоконапорную магистраль при его неизменных параметрах и технологических режимах инъекции, применяется в количестве до 1% массы цемента [56, 57].
Рецептура цементно-силикатного раствора, опробованная на множестве объектов, расположенных в грунтовых условиях юга Тюменской области, включает воду (В), портландцемент (Ц), «жидкое стекло» (силикат натрия). Водоцементное соотношение раствора принимается В/Ц=0,8, «жидкое стекло» вводится в раствор на этапе замешивания в размере 2% от массы цемента [66]. Данная рецептура позволяет обеспечить прочность на сжатие затвердевшего раствора не менее 10-12 МПа, средняя прочность на сжатие испытанных образцов находится в диапазоне 12-14 МПа. Технология приготовления раствора
Согласно ГОСТ 28013 «Растворы строительные» компоненты инъекционного раствора дозируются по массе. Вода и водный раствор силиката дозируются по объему. Допустимая погрешность дозировки: для цементов и воды – не более 3%; для добавок – не более 5%.
Согласно СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011 приготовление цементных растворов следует выполнять в растворосмесительных узлах (растворомешалках/миксерных станциях) турбулентного, турбинного или лопастного типов. Компоненты раствора вводятся строго в следующей последовательности: вода – цемент – силикат натрия. Введение каждого последующего компонента допускается только после тщательного перемешивания до однородной смеси предыдущих компонентов. С момента приготовления раствор должен непрерывно перемешиваться до его нагнетания.
При использовании инъекционного комплекса «Мини» допускается введение силиката натрия («жидкого стекла») в приготовленный раствор, перемешиваемый в емкости-накопите (рисунок 3.7б, позиция 7), не менее чем за 3-5 мин до нагнетания.
Технологическое оборудование
При организации работ по опрессовке основания необходимо применять обязательный набор технологического оборудования, который должен содержать [39]:
1) смесительное оборудование для приготовления и накопления растворов;
2) насосы для нагнетания растворов, перекачивающие насосы;
3) высоконапорные шланги, образующие растворопроводы и магистрали;
4) контрольно-измерительные приборы и приспособления: манометры, водомеры, секундомеры, вискозиметры, ареометры, мерные стаканы и т.п.;
5) вспомогательное оборудование: водонагреватели, шланги для подачи воды, емкости различного назначения. Состав смесительного оборудования для приготовления растворов определяется их типом и рецептурой, а также интенсивностью производства работ и производственными условиями в условиях строительной площадки.
Процесс приготовления двухкомпонентного раствора включает следующие последовательные операции: дозирование компонентов (цемента, воды); загрузка их в растворомешалку; перемешивание, получение и слив приготовленного раствора в расходную емкость, где он подвержен постоянному перемешиванию. В данном случае это не позволяет твердым компонентам оседать, что предотвращает расслоение раствора.
Приготовление суспензий на основе портландцемента эффективно применять в турбинных или лопастных смесителях (таблица 3.5) [39, 56]. Высокооборотистое перемешивание доводит приготавливаемый раствор до высокой однородности. Лопасти вала разрушают комки, сгустки твердых компонентов. В результате получается качественно приготовленный раствор, отвечающий требованиям по реологическим параметрам, с высокой степенью однородности и стабильности [39, 56].
В монографии Ибрагимова М.Н. отмечается: «При больших объемах работ и для приготовления сложных, многокомпонентных растворов состав оборудования увеличивается и компонуется в виде растворного узла, оснащенного растворонасосами для перекачки и нагнетания растворов. Растворомешалки оборудуются дополнительно питателями и дозаторами объемного или весового типа для дозирования твердых и жидких компонентов» [56, 57]. Технологическая схема приготовления многокомпонентного раствора приведена на рисунок 3.7.
Вторая технологическая схема (рисунок 3.7б) подразумевает применение современных инъекционных комплексов, включающих миксерную станцию, накопитель (емкость для накопления приготовленного раствора) обеспечивающий перемешивание приготовленного раствора, и растворонасос. Высокая однородность приготовленного раствора обеспечивается в данном случае обеспечивается его качественным перемешиванием на всех стадиях до нагнетания. Работы могут выполняться практически непрерывно при достаточно высокой интенсивности нагнетания.
Насосное оборудование для нагнетания растворов представлено насосами различных типов, такие как плунжерные, диафрагменные, поршневые (таблица 3.6). В своих работах Ибрагимов М.Н. и Ермолаев В.А. отмечают: «Насос служит для перекачивания нагнетаемого раствора через высоконапорную магистраль. В настоящее время наиболее часто применяются насосы поршневые типа и плунжерные типа НБ с горизонтальным расположением штоков. Поршневые гидравлические насосы получили весьма широкое практическое распространение поскольку они обеспечивают подачу раствора без пульсации и дают возможность бесступенчато регулировать расход при постоянном давлении нагнетания. Из поршневых насосов наиболее целесообразным является насос типа 11ГрЦИ, специально предназначенный для цементных растворов» [39, 56, 57].
Для достижения значительных давлений подачи раствора (более 100 кгс/см2) широко используют насосы плунжерного типа, которые зачастую выполняются трехцилиндровыми (трехплунжерными). Такие насосы типов НБ3, НБ4 и НБ5 предназначены для работы с глинистыми суспензиями различной консистенции, что расширяет область их использования в различных отраслях [56, 57].
Среди отечественных производителей насосного и смесительного оборудования можно выделить «БетТех», «Стройтехника», «Специальная строительная техника», основными зарубежными производителями являются Metax, Soilmec, IPC, TecniWell и др.
Насос GP-40 может работать в двух режимах – при низком, и при высоком давлении. Работа при низком давлении позволяет нагнетать цементные растворы давлением в диапазоне 04,0 МПа, а работа при высоком давлении – до 10 МПа [92]. Расход раствора может достигать 40 л/мин, максимальный расход достигается при работе насоса при низком давлении.
Миксерная станция состоит из миксера, емкости-накопителя. Станции СМ-20/50, СМ-40/90 и СМ-40/120 (таблица 3.5) оснащены весовыми датчиками (электронными весами), что позволяет дозировать компоненты с достаточно высокой точностью. После перемешивания в миксере раствор подается в емкость-накопитель, где он перемешивается до нагнетания.
Малые габариты станций (до 3-х метров в длину) позволяют размещать их в достаточно стесненных условиях, при этом станция удобна в техническом обслуживании и легко транспортируется. Технологический режим нагнетания растворов
Цементно-силикатный раствор подается через инъекционный насос в магистраль, состоящую из шлангов высокого давления, соединенную с одним или несколькими инъекторами КСПФ. Шланги оборудуются защитными кожухами.
Для исключения создания «воздушной пробки» в щебеночной подушке при нагнетании следует оставлять один (несколько) инъекторов на захватке открытыми. После полного заполнения пустот в щебне раствором на свободные инъекторы одеваются заглушки, далее выполняется нагнетание при избыточном давлении с повышением его величины до проектных значений. При параллельном выполнении работ на двух или более захватках (рисунок 3.10в, г) следует в первую очередь выполнять полное заполнение пустот в щебне всех осваиваемых захваток, а только затем одновременно повышать давление.
Согласно СП 3.02.01-83 насосные агрегаты рекомендуется оснащать регулятором расхода раствора. Регулирование интенсивности расхода раствора следует выполнять в диапазоне 030 л/мин при заполнении пустот в щебне, и 015 л/мин при достижении проектного давления опрессовки основания.
Технология устройства КСПФ с применением технологии восстановления контактного слоя «ростверк - основание»
Объектом внедрения разработанной технологии обеспечения совместной работы ростверка с основанием инъекционным методом явилось строительство монолитно-каркасных зданий в составе ЖК «Соседи» в г. Тюмень (приложение А).
Применение указанной технологии наиболее полно изложено в публикациях автора [24, 64, 66]. Общая характеристика приведена в таблице 4.1.
Динамика максимальной и минимальной температур воздуха в дневной и ночной периоды за все время производства работ «нулевого цикла» представлена на рисунке 4.11. Величины температур приняты на основании архива погоды гидромецентра Тюменской области.
На стадии выполнения «нулевого цикла» (рисунок 4.12) было выявлено, что высока вероятность возникновения сверхнормативных деформаций КСПФ, которые будут развиваться по мере оттаивания основания. В подобных ситуациях необходимо оперативно принимать меры по обеспечению проектных решений в части взаимодействия элементов фундамента и основания.
Своевременно были разработаны конструктивно-технологические решения и примененена технология восстановления контактного слоя «ростверк - грунтовое основание» [24, 66]. Технология была осуществлена инъекционным методом через инъекторы, и позволила обеспечить работоспособное состояние КСПФ на этапах строительства и эксплуатации здания.
Конструктивно-технологические решения применения указанной технологии подробно описаны в публикациях автора [24, 66]. Конструкция инъектора приведена в тексте патента РФ №2572477.
Фронт работ по установке инъекторов развертывается в период армирования ростверков (рисунок 4.13, 4.14), верхняя часть инъекторов выводится выше ростоверка. Выполнение инъецирования цементной суспензии выполняется в определенный период возведения здания, когда основание под фундаментом оттаяло, и деформации оттаивания реализованы.
Инъецирование цементного раствора осуществлялось после оттаивания и просадки основания (рисунок 4.15). В момент выполнения опрессовки контактного слоя на фундамент от здания передавалось не более 5-7% конечной нагрузки, что составляло порядка 15-20 кПа. На обоих зданиях на момент выполнения работ были возведены не более 2…3 этажей монолитного каркаса без устройства стен и перегородок, и выполнена обратная засыпка пазух котлована. Давление опрессовки принято в диапазоне ропр = 2030 кПа. Устойчивость КСПФ на начальных этапах нагружения обеспечивалась сваями.
Состав технологических процессов включает приготовление и нагнетание раствора, демонтаж видимой части инъекторов, контроль качества работ. Организация работ предусматривала следующие этапы [24, 64, 66]:
- сборка напорной магистрали: от инъектора до насоса;
- приготовление и подача цементной суспензии;
- твердение цементного камня. Организация инъекционных работ была основана на совместной работе смесительного узла РН-150 и растворонасоса. Применение указанного оборудования позволило достигать выработки раствора до 2,4 м3/час при поддержании давления до 25 атм (рисунок 4.16). Напорная магистраль для контроля давления оснащалась манометрами.
Давление инъецирования поддерживалось на уровне 20-30 кПа. В публикации автора указывается, что: «В качестве раствора использовалась смесь из воды и цемента с В/Ц=0,6 и добавкой водного раствора силиката натрия ((Na20(Si02)n) в размере 2% от массы раствора», - указывается в статье автора [66, с. 90], объем раствора можно рассчитать по формуле 4.1:
Уросте. = Ущеб.подг. X kl X к2 (4.1)
где [66]: Ущеблодг. - объем щебеночной подготовки, м3;
кг - коэфф. определяющий объем пустот щебня, д.ед. Объем пустот в щебне характеризуется пустотностью, которая для зерен крупных и средних фракций насыпной плотности лежит в пределе 45-55% [66]; k2 - коэфф. характеризующий наличие пустот (полостей) под ростверком, образовавшихся при оттаивании основания. Величина коэффициента вычисляется на основе натурных наблюдений за деформациями оттаивания грунтов, либо на основании расчетов (см. главу 2) [66].
Работы были организованы согласно разработанной методике (см. Глава 3). Порядок инъекционных работ представлен на рисунке 4.17. В первую очередь был «замкнут контур», то есть заполнены полости и пустоты по периметру фундамента (рисунок 4.17, последовательность 1 - 2 - 3 - 4). Затем работы выполнялись вдоль внутренних ленточных ростверков. Захватки выполнения работ распределялись вдоль ростверков включая перекрестно расположенные ростверки соседних пролетов. Например, захватка включающая последовательность работ 5 - 6 включала ростверки в направлении последовательности работ 1 - 2 и 7 -8. В другом случае было возможно выполнить работы сначала по всем внутренним параллельным ростверкам, а затем по всем перпендикулярным им [66, 125].
Разработаная технология восстановления контактного слоя «ростверк – грунтовое основание» инъекционным методом в соавторстве защищена патентом РФ на изобретение №2572477. Применение технологии направлено на эффективное устранение последствий расструктуривания грунта, на обеспечение полного включения ростверка в работу с основанием и повышение устойчивости фундаментов на этапах возведения и эксплуатации сооружения.
Разработанная технология была применена для обеспечения устойчивости ленточных ростверков, для которых выполнялось усиление, ОКН регионального значения «Тюменская городская «Текутьевская» больница» (Тюмень, Даудельная, 1 литер А), выполняемом в рамках реставрации объекта по заказу Правительства Тюменской области (см. приложение А) [123].
Ленточные фундаменты, выполненные из керамического кирпича на известковом растворе, были усилены буроинъекционными сваями типа « Атлант», после чего в пролетных частях выполнялось освоение подземного пространства с устройством ж/б кессонов. Необходимость восстановления контактного слоя была обусловлена нарушениями правил экскавации и водопонижения, что привело к повсеместным обвалам и расструктуриванию грунтов под подошвой ленточных свайных ростверков (рисунок 4.18а).
Общая длина контактного слоя по подошве фундаментов, подлежащего восстановлению согласно данным авторского надзора составила 187 м.п. Нагнетание раствора, выполняемое снаружи здания, проводилось через металлические трубки-инъекторы диаметром 20мм, расположенные с шагом 2м (рисунок 4.18б). В качестве инъекционного принят цементно-силикатный раствор с В/Ц=0,8, общий объем инъекции составил 57 м3 раствора. Состав технологических операций и процессов аналогичен работам, выполняемым на объекте ЖК «Соседи», приведенным выше.
Выполненные мероприятия позволили включить ленточную часть фундаментов в работу и обеспечить их работоспособность на технологической и эксплуатационной стадиях.
Другими объектами применения технологии являлись эксплуатируемые здания (срок эксплуатации 5…7 лет), выполненные на ленточных свайных фундаментах (Тюмень, Домостроителей, 34 – здание в панельном исполнении, 10 эт) и комбинированных плитно-свайных фундаментах (Тюмень, пр. Заречный, 14 – комплекс из 6-ти зданий, 10…15 эт). В обоих случаях применение данной технологии являлось составной частью мероприятий, выполняемых при усилении основания и фундаментов.
В период эксплуатации объектов было выявлено развитие неравномерных осадок фундаментов, которое носило незатухающий характер, которые были вызваны совокупностью факторов, включающих сложные инженерно-геологические условия, ошибки при проектировании и нарушение технологии выполнения работ нулевого цикла. Одним из дефектов являлось отсутствие включения ростверка в совместную работу с основанием – по всей площади под ростверками на обоих объектах установлено наличие пустот по величиной до 250 мм (рисунок 4.19).