Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Исследования технологий сооружения и взаимодействия с основанием набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта 12
1.2. Методы расчета несущей способности набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта 36
1.3. Цели и задачи исследования 43
Глава 2. Исследования в условиях строительства буронабивных свай, сооружаемых с глубинным уплотнением околосвайного грунта вибровтрамбовыванием щебня 46
2.1. Проектные решения фундаментных конструкций и инженерно-геологические условия строительства 46
2.2. Исследование технологии виброуплотнения и несущей способности основания буронабивных свай 51
2.3. Исследование буронабивных виброштампованных щебеночных свай 72
2.4. Результаты натурных исследований 81
Глава 3. Экспериментальные лабораторные исследования буронабивных свай, сооружаемых с глубинным уплотнением грунта забоя скважины вибротвтрамбовыванием щебня 83
3.1. Методика лабораторных исследований 83
3.2. Лабораторное моделирование процесса вибровтрамбовывания щебня в грунт забоя буровых скважин 96
3.3. Исследование работы основания с втрамбованным щебнем под действием статической нагрузки 105
3.4. Результаты экспериментальных исследований
Глава 4. Предложения по расчету и устройству буронабивных свай с уплотнением околосвайного грунта вибровтрамбовыванием жесткого материала 120
4.1. Инженерный метод расчета несущей способности буронабивных свай 120
4.2. Аналитическое определение зоны уплотненного грунта при втрамбовывании щебня (бетонной смеси) в грунт, окружающий скважину 136
4.3. Рекомендации по глубинному виброуплотнению основания буронабивных свай 146
4.4.. Оценка экономической эффективности применения буронабивных свай сооружаемых с объемным виброштампованием 150
Основные выводы и результаты исследований 152
Список использованных источников 156
Приложения 167
- Методы расчета несущей способности набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта
- Исследование технологии виброуплотнения и несущей способности основания буронабивных свай
- Лабораторное моделирование процесса вибровтрамбовывания щебня в грунт забоя буровых скважин
- Аналитическое определение зоны уплотненного грунта при втрамбовывании щебня (бетонной смеси) в грунт, окружающий скважину
Введение к работе
Расширение объемов городского строительства, в том числе транспортного, приводит к необходимости освоения территорий со сложными гидрогеологическими условиями, на площадях, крайне ограниченных существующей застройкой и эксплуатирующимися транспортными магистралями, и, как следствие, к увеличению удельных нагрузок на основание-Традиционное решение фундаментных конструкций зданий и сооружений в таких условиях — свайные фундаменты. Наибольшей эффективностью, с точки зрения использования материала в конструкции, обладают забивные сваи и подобные им конструкции, использующие эффект вытеснения грунта. Изменения, происходящие в структуре грунта в процессе забивки свай или других конструкций, обеспечивают высокую удельную несущую способность.
В то же время в современной строительной практике все более широкое распространение получает технология устройства фундаментов замещения — буронабивных, бурошнековых. Успех этой технологии объясняется, прежде всего, наличием надежных высокопроизводительных базовых буровых машин с широким спектром типоразмеров и богатого ассортимента сменного навесного оборудования (станки типа BAUER, CASAGRANDE, LIEBHERR), позволяющего решать задачу сооружения фундаментов в любых грунтовых условиях. Такая технология наиболее применима с точки зрения экологии и безопасности для существующей застройки.
Для обеспечения высокой несущей способности буронабивных свай по грунту в таких условиях существует несколько путей:
- устройство свай, работающих как сваи-стойки. Скальные грунты зачастую залегают на глубине порядка 50 м и более. Бурение
5 скважин на такую глубину и их бетонирование занимает много
времени и связано со значительными материальными затратами;
устройство свай с уширенными пятами. Применяется в основном для оснований, сложенных связными грунтами;
устройство свай с уплотнением околосвайного грунта [1]. Известно множество технологий уплотнения грунта при сооружении свай с целью улучшения прочностных и деформативных свойств основания. В основном все они имеют определенные области рационального применения и ограничения, связанные, например, с гидрогеологическими условиями, длиной свай, возможностями применяемого специального оборудования, жесткими требованиями к срокам строительства и влиянию, оказываемому на окружающую среду, и другие.
Наиболее актуальными для современного мостостроения являются технологии, позволяющие с высокой надежностью обеспечивать требуемую несущую способность и прочность материала буронабивных свай длиной более 20 м и различных диаметров в разнообразных грунтовых условиях, максимально адаптированные к основным типам бурового оборудования и традиционным способам устройства буровых свай. При этом не должно происходить значительного увеличения трудоемкости и снижения темпов производства работ.
Известны технические решения, обеспечивающие повышение несущей способности буровых свай за счет динамического воздействия на бетонную смесь, укладываемую в скважину, и окружающий грунт [2-6]. Вибрационное воздействие передается на бетонную смесь через специальные штанги, усовершенствованные бетонолитные трубы или через обсадную трубу в процессе ее извлечения. Такие сваи классифицируются как вибронабивные или виброштампованные; а устройства, используемые для их сооружения, называются виброштампами. Расположение вибровозбудителя в верхней
части позволяет применять достаточно мощные надежные вибраторы и увеличить массу виброштампа. Как правило, диаметр рабочего органа виброштампа незначительно отличается от диаметра скважины, а штампующая поверхность имеет плоскую или коническую форму. Активная зона уплотняющего воздействия такими органами ограничена (в основном, что особенно важно, по глубине).
Для снижения диссипативных потерь и повышения эффективности распределения энергии, затрачиваемой на уплотнение материала в основании буровой скважины и укладываемой бетонной смеси, разработаны технические решения, использующие в качестве штампа пространственную конструкцию, которая обеспечивает распределение уплотняющего усилия по всему объему уплотняемого материала [7-10].
Такого рода рабочие органы наиболее приемлемы при сооружении буровых свай глубокого заложения, особенно в фундаментах мостовых опор, где приходится сталкиваться преимущественно с обводненными скважинами.
Исследованиями, проведенными в ЦНИИС [11-13] установлено, что пространственный рабочий орган под действием гидравлического вибратора с регулируемыми параметрами создает в грунте (бетонной смеси) радиальное и вертикальное давление, распределенное по объему уплотняемого материала, за счет чего достигается максимальная плотность материала в полости скважины и одновременно уплотняется околосвайный грунт.
Одна из характерных особенностей такого метода в том, что одно и тоже технологическое оборудование позволяет решать две инженерные задачи - вибрирование укладываемой в скважину бетонной смеси и уплотнение околосвайного грунта [14]. Передача уплотняющего воздействия через бетонную смесь на стенки и забой скважины позволяет повысить сопротивление околосвайного грунта, что учитывается в действующих нормах введением соответствующих коэффициентов [15].
7 Проведенные сравнительные испытания песчаного основания,
уплотненного глубинным объемным виброштампованием, показали
существенное (в 1,5-5-2 раза) повышение несущей способности и снижение
деформативности основания.
Для снижения опасности разрыхления и выпора грунта забоя буровых скважин при глубинном виброуплотнении в качестве пригруза может быть использован жесткий материал (щебень, гравий, жесткая бетонная смесь). При этом жесткий материал втрамбовывается в грунт забоя, образовывая в основании сваи уплотненный массив.
Большое количество исследований посвящено разработке технологии сооружения и изучению работы фундаментов, устраиваемых с втрамбовыванием жесткого материала в снование буровых и вытрамбованных (пробитых) скважин под набивные сваи. Преимущественно втрамбовывание производится либо тяжелыми трамбовками, либо виброштампами сплошного сечения. При этом в основании таких фундаментов образуется «уширение» из жесткого материала с зоной уплотненного грунта вокруг него. Улучшение прочностных и деформационных свойств грунта в уплотненной зоне позволяют значительно повысить несущую способность фундамента. Это, в свою очередь, ведет к сокращению длины или количества свай и, следовательно, к экономии материалов, трудозатрат и снижению стоимости работ. Подобные технологии применяются в основном при устройстве свай небольшой глубины заложения и отсутствии в скважинах воды.
В то же время, наиболее применимая и эффективная при устройстве буровых свай в обводненных скважинах технология втрамбовывания жесткого материала в грунт забоя с помощью пространственного виброштампа и особенности работы таких свай под нагрузкой изучены не достаточно. Представляет несомненный практический интерес
8 совершенствование расчетного аппарата, позволяющего учитывать
получаемый от применения технологии эффект.
Таким образом, диссертационная работа посвящена решению одной из актуальных задач мостостроения — повышению несущей способности и снижению ресурсоемкое свайных фундаментов.
Целью настоящей работы является совершенствование технологии
глубинного уплотнения основания буровых свай путем объемного вибровтрамбовывания жесткого материала в забой глубоких скважин, а также разработка инженерного метода расчета данных свай.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
проведены натурные исследования процесса вибротрамбования жесткого материала в основании скважин при сооружении опытных буронабивных свай мостовых фундаментов;
экспериментально установлен характер деформирования грунтового основания в процессе виброуплотнения, характер распределения жесткого материала в грунте, форма и размеры получаемых уплотненных зон;
оценен характер деформирования грунтового основания с втрамбованным пространственным виброштампом жестким материалом при действии статической нагрузки;
разработаны предложения по совершенствованию технологии глубинного объемного виброуплотнения основания буровых скважин с втрамбовыванием жесткого материала;
на основании экспериментальных данных разработана методика расчета
несущей способности грунтового основания с втрамбованным жестким материалом.
9 Научная новизна работы:
экспериментально определены закономерности распределения в грунте жесткого материала под воздействием пространственного виброштампа и формирования зоны уплотненного грунта в основании буровой скважины;
оценено влияние вибровтрамбовывания жесткого материала в грунт забоя буровых скважин на несущую способность основания в различных грунтовых условиях;
в результате теоретического моделирования с использованием экспериментальных данных определены коэффициенты условий работы при расчете несущей способности свай по грунту;
получено теоретическое решение для определения размеров зон уплотнения вокруг буронабивных свай исходя из величины смещения границы скважины при динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.).
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований определены технические параметры процесса сооружения буровых свай с вибровтрамбовыванием жесткого материала в грунт забоя буровых скважин и технологические режимы работы оборудования, которые позволяют достигать повышения несущей способности, снижая влияние дополнительных операций на темпы сооружения буронабивных свай по традиционным технологиям.
Разработаны рекомендации по глубинному виброуплотнению грунта
10 забоя буровых скважин и методика расчета несущей способности грунтового
основания с втрамбованным жестким материалом.
Применение технологии и предложенной методики расчета позволяет повысить эффективность свайных фундаментов, за счет повышения несущей способности при одновременном снижении себестоимости выполняемых работ.
На защиту выносятся:
Закономерности распределения в грунте жесткого материала под воздействием пространственного виброштампа и формирования зоны уплотненного грунта.
Закономерности деформирования грунтового основания с втрамбованным пространственным виброштампом жестким материалом при действии статической нагрузки.
Инженерный метод расчета несущей способности буронабивных свай, устраиваемых с вибровтрамбовыванием жесткого материала в основание скважин.
Технические параметры и технологическая схема производства работ по глубинному виброуплотнению грунта забоя буровых скважин с втрамбовыванием жесткого материала.
Реализация работы. Уплотнение околосвайного грунта с применением технологии объемного вибротрамбования осуществлялось при сооружении буронабивных свай на строительстве нескольких объектов в
составе Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) и Третьего транспортного кольца в г. Москве. Результаты исследований и предложенная методика расчета использованы при проектировании и сооружении свайного фундамента опоры № 1 моста через канал им. Москвы на 66 км а/д Москва -Дмитров - Дубна у г. Яхромы.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на заседаниях секций Ученого совета ОАО ЦНИИС, научно-технических конференциях «Современные технологии строительства, реконструкции, ремонта и содержания искусственных сооружений на автомобильных дорогах» (г. Москва, Росавтодор, 2002 г.), «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (г. Москва, МИИТ, 2003 г.).
По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа содержит 145 страниц текста, 48 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 91 наименования и 3 приложения.
Работа выполнена в Филиале ОАО ЦНИИС «НИЦ «Стройтехкомплексы» под руководством к.т.н. А.Ю. Смирнова. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, директору НИЦ «Стройтехкомплексы» И.А. Панину, Л.В. Крицбергу, а также сотрудникам НИЦ за помощь в выполнении работы.
Методы расчета несущей способности набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта
Согласно действующим нормам [51], несущая способность сваи определяется как сумма сил расчетных сопротивлений грунтов под нижним концом и на боковой поверхности сваи. Предусмотренные СНиП расчетные сопротивления под нижними концами забивных свай, а также некоторых видов набивных свай, устраиваемых с вытеснением грунта, значительно превышают сопротивления под нижними концами свай замещения. В то же время, повышение сопротивления за счет уплотнения различными методами грунта под подошвами набивных и буровых свай в СНиП не учитывается. Лишь для буровых свай с камуфлетными уширениями в основании предусмотрено повышение сопротивления на 30%.
В некоторых Рекомендациях и региональных нормах [52,53,54 и др.] применяются методы расчета набивных свай с использованием значений расчетных сопротивлений грунта с учетом его уплотнения на технологической стадии. Учет уплотнения околосвайного грунта на стадии изготовления сваи производится введением поправочных коэффициентов к табличным значениям расчетных сопротивлений под нижними концами свай, предложенных в СНиП [51], либо составлением на основании результатов испытаний свай в различных грунтовых условиях аналогичных СНиП таблиц.
В расчете, приведенном в Рекомендациях [55], несущая способность фундамента в вытрамбованном котловане с уширенным основанием из втрамбо 37 ванного жесткого материала складывается из предельных сопротивлений основания по боковой и торцевой поверхностям фундамента. Несущая способность по торцу определяется как наименьшее из трех значений несущей способности а) жесткого материала, втрамбованного в дно котлована, б) уплотненного грунта в пределах уплотненной зоны, б) подстилающего уплотненную зону грунта естественной плотности. Расчет рекомендуется проводить поэтапно. На первом этапе определяется только сопротивление жесткого материала в основании фундамента. При расчете на втором этапе предполагается, что давление на уплотненный грунт передается через подошву фундамента по площади, равной площади поперечного сечения щебеночного уширения. При этом расчетные сопротивления уплотненного грунта под втрамбованным жестким материалом принимаются соответствующими сопротивлениям для забивных свай в СНиП 2.02.03-85. Третий расчет проводится как для условного фундамента, опирающегося на грунт природного сложения. Площадь подошвы условного фундамента принимается равной площади поперечного сечения уплотненной зоны в месте ее наибольшего диаметра. Размеры уплотненной зоны и возможные характеристики уплотненного грунта определяются из эмпирических зависимостей. В качестве расчетного значения сопротивления фундамента по грунту принимается минимальное из трех полученных значений.
Необходимость выполнения расчета несущей способности по нескольким разным схемам свидетельствует о существующих неопределенностях в работе фундамента совместно с основанием. Отмечая этот факт, P.P. Авазов в работе [29] приводит следующие предложения по расчету несущей способности фундамента в вытрамбованном котловане с уширенным основанием.
Сдвиг вдоль боковой поверхности происходит по контакту ствола сваи с грунтом. В нижней части сваи форма и размеры предельной поверхности определяются наличием щебеночного уширения и зоны уплотненного грунта. В расчете принимаются характеристики грунтов в естественном состоянии. Таким образом, в данной схеме уплотнение основания под подошвой сваи учтено условным изменением размеров сваи пропорционально зоне уплотнения грунта в нижней части.
В настоящее время все более широкое распространение получают методы расчета НДС оснований, учитывающие нелинейный характер связи между напряжениями и деформациями в грунтах. Развитие вычислительной техники дало возможность решать задачи нелинейной механики грунтов с помощью численных методов, в том числе наиболее распространенного метода конечных элементов (МКЭ) [58,59]. Нелинейные модели используются для решения самых разнообразных задач фундаментостроения, в том числе и для расчета фундаментов и оснований, сооружаемых с уплотнением грунта. Так, например, работы [60,61] посвящены методам расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах, в работе [62] приводятся результаты математического моделирования НДС свайных фундаментов в пробитых скважинах с втрамбованным в основание щебнем и без него, в работе [63] рассматривается оценка НДС «искусственного» основания, усиленного песчаными сваями с уширением на конце из втрамбованного щебня.
Исследование технологии виброуплотнения и несущей способности основания буронабивных свай
Как показали исследования [39] (см. раздел 1.1.), для погружения рабочих органов в грунт, уплотнения грунта и бетонной смеси в буровых скважинах в широком диапазоне глубин наиболее эффективно виброоборудование, оснащенное гидравлическим приводом, который наилучшим образом обеспечивает регулирование в заданных пределах параметров системы по частоте и амплитуде [64]. Такое оборудование было создано в ЦНИИСе [10] и использовалось при сооружении железобетонных и щебеночных буронабивных свай с объемным виброштампованием щебня и бетонной смеси в скважинах, рассматриваемых в данной работе. Основными преимуществами данного оборудования являются его совместимость с основными типами буровых машин и методов бетонирования скважин (методы вертикально перемещаемой трубы (ВПТ), непрерывно перемещаемого шнека (НІШІ) и др.), низкая потребляемая мощность, компактность и мобильность, а также универсальность. В зависимости от поставленных задач оборудование позволяет производить виброштампование укладываемой в буровую скважину бетонной смеси или жесткого материала, втрамбовывание жесткого материала в грунт забоя скважин либо оба вида работ в комплексе.
Комплект технологического виброоборудования гидравлический вибратор дебалансного типа с регулируемыми параметрами по частоте, амплитуде и возмущающей силе с унифицированным гидравлическим устройством для крепления к его нижней части виброштампа; насосную станцию с пультом дистанционного управления; систему гибких гидравлических и электрических коммуникаций; набор секций вибростойких бетонолитных труб с инвентарными вибропередающими бандажными зажимами и уплотнительными элементами; комплект виброуплотнителей для втрамбовывания щебня и виброштампования бетонной смеси в скважинах. Гидравлический вибратор обеспечивает возбуждение колебаний с плавно регулируемой частотой от 400 до 2500 об/мин. (7-5-40 Гц) и ступенчато изменяемый момент дебалансов в диапазоне от 3 до 20 кгм. Насосная станция оснащена основным и вспомогательным насосами. Основной насос имеет регулятор производительности и развивает давление до 32 МПа. Станция снабжена масляным баком, блоком промышленной гидроаппаратуры и средствами кондиционирования рабочей жидкости. Установленная мощность оборудования — 40 кВт.
Натурные исследования на МКАД Опытные работы по повышению несущей способности буронабивных свай с использованием нового оборудования проводились при сооружении фундаментов на МКАД. Виброуплотнение грунта забоя буровых скважин с добавлением жесткого материала проводилось в следующей последовательности (рис. 2.3). На забой пробуренной под защитой обсадной трубы скважины подавалась порция щебня объемом 0,75ч-1,0 м3, высота засыпки в скважине составляла при этом 1,7-5-2,3 м (или 2,3-5-3, ldcKB, где dcKB - диаметр скважины). Основываясь на существующем опыте [28] использовался щебень твердых пород фракции 20-5-40 мм. Кроме того, выбор данной фракции щебня был сделан с учетом особенностей конструкции виброуплотнителя.
Установка виброштампа в буровую скважину грунта на 0,8 м. Вибратор включался в режиме высокой частоты, РО погружался в отсыпанный щебень и грунт забоя до отказа, затем извлекался также в режиме высокой частоты. Вибратор переключался в режим низкой частоты и РО погружался до отказа и на этом уровне выдерживался в течение 3 мин. Извлечение РО производилось залогами по 30- 40 см в режиме высокой частоты. Цикл, состоящий из погружения и извлечения РО при переменных частотных режимах, повторялся 5-ьб раз до достижения отказа. После окончания втрамбовывания щебня в грунт забоя скважины обсадная труба осаживалась на прежнюю глубину. Перед установкой арматурного каркаса забой зачищался до ножа обсадной трубы. В ходе опытных работ были проведены статические испытания грунтового основания буронабивных свай. Испытания проводились статической осевой вертикальной вдавливающей нагрузкой в соответствии с нормативными требованиями [65,66,51].
За предельное сопротивление грунта основания принималась величина давления штампа на основание на одну ступень меньше давления, при котором приращение осадки за одну ступень превышало в 5 раз и более приращение осадки, полученное за предшествующую ступень нагружения. Если при максимальном давлении приращение осадки штампа за одну ступень не превышало в 5 раз и более приращение осадки, полученное за предшествующую ступень нагружения (при общей осадке более 40 мм), за предельное сопротивление основания принималось давление, достигнутое при осадке s = 40мм.
При сооружении первой сваи были проведены комплексные испытания, включавшие испытания грунта естественного сложения на забое скважины, испытания основания с втрамбованным щебнем и статические испытания готовой сваи. Подошва сваи располагалась в мелком песке средней плотности.
В результате испытаний грунта естественного сложения предельная нагрузка на основание составила 0,9 МПа при осадке 22 мм. После втрамбовывания щебня в грунт забоя скважины и выстойки в течение суток испытания были повторены. В ходе испытаний критическая нагрузка достигнута не была, при осадке штампа 40 мм нагрузка на основание с втрамбованным щеб 57 нем составила 3,5 МПа (рис. 2.5.а), т.е. сопротивление основания увеличилось почти в 4 раза. Затем скважина была забетонирована, при этом бетонная смесь укладывалась с объемным виброштампованием. Определенная расчетом несущая способность буронабивной сваи согласно [51,15] с учетом результатов испытаний уплотненного основания составила 1700 кН. По результатам испытаний готовой сваи длиной 8 м и диаметром 0,75 м статической нагрузкой несущая способность сваи составила 1650 кН, причем испытания были прекращены по причине потери устойчивости анкерной системы. Осадка при достигнутой нагрузке составила 7 мм (рис. 2.5.6). В дальнейшем несущая способность буронабивных свай контролировалась по результатам сопоставительных испытаний грунтового основания в естественном состоянии и после втрамбовывания щебня в грунт забоя скважин.
При устройстве несущей стены тоннеля развязки № 3 буровые сваи диаметром 0,75 м сооружались через одну с расстоянием между осями 1,7 м, после набора прочности бетона двух готовых свай приступали к бурению средней скважины.
По результатам испытаний суглинка тугопластичной консистенции (IL=0,4) В основании буровой скважины сопротивление грунта естественного сложения составило 0,9 МПа при осадке 24 мм, после втрамбовывания щебня нагрузка на основание при осадке 40 мм составила 3,2 МПа, в данном случае увеличение сопротивления основания составило 3,6 раза (табл. 2.1).
Лабораторное моделирование процесса вибровтрамбовывания щебня в грунт забоя буровых скважин
При проведении лабораторных экспериментов виброуплотнение грунта в основании модельных скважин проводили по технологии, принятой в ходе опытных натурных работ. На забой модели скважины отсыпали порцию щебня фракции 5-10 мм из расчета заполнения скважины на l,0-5-l,5dCKB по высоте. В скважину до упора в щебень опускалась модель виброштампа. Затем обсадная труба извлекалась из грунта на 0,3-r0,5h3ac (Ьзас - высота засыпки щебня) и начиналось вибропогружение рабочего органа виброштампа (РО). В опытах с глинистым грунтом обсадная труба исходно устанавливалась на 0,5dcKB выше забоя скважины. РО погружался в грунт ниже забоя на заданную глубину и извлекался с вибрацией. При необходимости производилась досыпка порции щебня до прежнего уровня. Вибровтрамбовывание щебня проводили по циклической схеме воздействия до достижения эффекта отказа в уровне забоя модели скважины. Цикл работы виброштампа включал ступенчатое погружение, извлечение и досыпку (при необходимости) очередной порции щебня.
В первом цикле под воздействием вибрации и собственного веса вибросистемы РО погружали в отсыпанный щебень, а затем в грунт забоя скважины на определенную глубину. На этой стадии были выявлены особенности процесса вибропогружения РО, связанные с разновидностью грунта основания. При погружении в песчаные и пластичные глинистые грунты в зоне действия ребер виброуплотнителя происходит разрушение структуры грунта, переходящего при этом в псевдожидкое состояние. При этом сначала РО вовлекает за собой незначительное количество щебня. После извлечения РО не прекращая вибрацию, производили досыпку щебня и повторяли цикл погружения РО на ту же глубину, что и в первом цикле. При этом объем вовлекаемого щебня увеличивался за счет того, что более тяжелые частицы щебня вытесняли в стороны и вниз более легкие песчаные и глинистые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии. Погружаясь в щебень, РО вслед за этим за счет динамического давления вытеснял щебеночные частицы вниз и в стороны от оси скважины, уплотняя, тем самым как сам щебеночный массив, так и окружающий грунт.
По мере добавления порций щебня, от цикла к циклу щебеночный массив увеличивался по высоте и в диаметре на глубину погружения РО. При определенных соотношениях вынуждающих колебаний и плотности присоединенной к РО грунтощебеночной массы, вибросистема переходила в состояние резонанса. В этот момент было сделано следующее наблюдение: поперечные полосы, нанесенные на грунт и щебень, совершали вертикальные колебания с амплитудой 2-ьЗ мм в зоне, прилегающей к РО. При этом РО передавал уплотняющие усилия на окружающий основание грунт, как трамбовка, работая полным сечением, ограниченным шириной поперечных ребер. В окружающем грунте формировалась периферийная уплотненная зона, образуя вытянутое в вертикальном направлении тело вращения. С каждым цик 98 лом погружения и извлечения РО происходила сегрегация грунтощебеноч ной смеси. При этом частицы грунта вытеснялись в стороны и вниз от оси приложения уплотняющего усилия. В результате на последних залогах виброштампования ниже забоя скважины формировалось ядро из «чистого» щебня.
С определенного момента размеры уплотненной зоны практически не увеличивались. Происходило дополнительное уплотнение грунтового материала внутри уплотненной зоны, при этом повышалось сопротивление погружению РО и достигался эффект «отказа». Достижение «отказа» сопровождалось снижением скорости погружения РО практически до полной остановки и резким увеличением амплитуды колебаний виброштампа. Следующие циклы работы проводили на более высоких отметках, достигая эффекта «отказа», вплоть до отметки забоя скважины. Поэтапно процесс вибровтрамбовывания щебня в песчаный грунт и формирования уплотненной зоны представлен на рис. 3.3.
В глинистых грунтах полутвердой консистенции при погружении РО в первом цикле наблюдались несколько другие процессы. После погружения РО примерно на 1/4ч-1/3 его длины, грунт заклинивался между ребрами, уплотнялся, образовывая грунтовую пробку, которая при дальнейшем погружении движется совместно с РО, формируя в грунтовом массиве пробитую цилиндрическую скважину за счет вытеснения грунта вниз и в стороны. Уплотнение основания на данном этапе наблюдалось в основном ниже острия РО. При следующих циклах, формирование щебеночного массива и уплотненной зоны происходило так же, как и в песчаных грунтах.
Виброизвлечение РО производилось в ступенчатом режиме, залогами по 5-5-10 см с выдержкой по 5-10 сек на каждом шаге. При виброизвлечении РО разрыхления щебеночной массы практически не происходило также за счет объемного вибровоздействия штампующих ребер. Тем не менее, низкая деформативность получаемого щебеночного массива с высокой надежностью может быть обеспечена лишь на той отметке, где достигается эффект «отказа», т.е. снижение скорости погружения РО до определенной величины.
Наблюдения за процессом вибротрамбования позволили выявить еще одну функцию втрамбовываемого жесткого материала. Требование поддержания определенного уровня щебня в скважине обосновывается не только необходимостью зашиты стенок скважины от обрушения, но и использованием щебня в качестве динамического пригруза уплотняемого основания. Было установлено, что, погружаясь в жесткий материал, РО и щебень в зоне ребер с определенного момента движутся как единое целое, оказывая на окружающий грунт фактически такое же воздействие, как трамбовка сплошного сечения.
Аналитическое определение зоны уплотненного грунта при втрамбовывании щебня (бетонной смеси) в грунт, окружающий скважину
Как правило, к вопросу расчетного определения размеров зон уплотнения вокруг фундаментов обращаются при исследованиях конструкций сооружаемых без выемки грунта — забивных призматических, пирамидальных свай, полых круглых свай, погружаемых с открытым нижним концом, штам-понабивных свай [89,90,91]. В известных расчетных моделях определение объема и радиуса зоны уплотнения производится исходя из объема вытесненного грунта, равного объему погруженного элемента. При этом рассматриваются такие факторы, как возможность выпора грунта на поверхность, характер перераспределения поровой воды в грунте под воздействием мгновенной ударной нагрузки от погружаемого в грунт твердого тела и т.п.
При устройстве буронабивных свай с уплотнением околосвайного грунта после заполнения скважины щебнем (бетонной смесью) и его трамбования грунт вокруг скважины вытесняется в стороны. При этом образуются зоны с плотностью выше природной. При определении размеров зон уплотнения примем следующие допущения: - природный коэффициент пористости грунта постоянен по глубине в пределах одного слоя грунта; - выпор грунта на поверхность не возможен; - коэффициент пористости грунта в пределах уплотненной зоны возрастает от границы с втрамбованным материалом вглубь массива по кривой второго порядка; - при динамическом воздействии, передаваемом на окружающий во донасыщенный грунт через щебень (бетонную смесь) вода в граничной зоне отжимается из пор. Рассмотрим сечение элементарного объема основания (V), включающего пробуренную скважину и грунт вокруг, до и после заполнения скважины щебнем (или бетонной смесью) и т.д.) и втрамбовывания щебня в радиальном направлении.
Условно выделим в основании естественного сложения до уплотнения тот же единичный объем, определяемый радиусом Ry. Для определения количества частиц в пределах выделенного объема после уплотнения вычислим количество пор в грунте после уплотнения. Для этого рассмотрим бесконечно тонкий цилиндр высоты Ah, основанием которого является кольцо радиуса Rm+x и толщины dx.
Полученное решение позволяет определять размеры зон уплотнения вокруг буронабивных свай исходя из величины смещения границы скважины при динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.). Данное решение может быть использовано для определения минимального расстояния между сваями, при расчетах несущей способности и деформативности усиленных грунтовых оснований или решения иных подобных геотехнических задач, связанных с глубинным уплотне нием грунтов.
Фундаментные конструкции, изготавливаемые с объемным вибровтрамбовыванием жесткого материала в основание рекомендуется применять в следующих случаях: — строительство фундаментов зданий и сооружений на слабых грунтах; — недостаточная несущая способность буронабивных свай по грунту; — строительство объектов в стесненных условиях. А также во всех случаях при необходимости сокращения длины, диаметра буронабивных свай или их количества. Технология может быть применена при устройстве буровых свай в составе свайных ростверков, отдельно стоящих, буросекущих и бурокасатель-ных свай диаметром от 0,6 до 3,0 м и длиной до 50 м. Вибровтрамбовывание жесткого материала при необходимости может производиться практически в любых грунтовых условиях. Наибольший эффект достигается в грунтах, обладающих коэффициентом пористости є 0,6, в том числе в водонасыщенных песчаных грунтах мелких и средней крупности, а также в пылевато-глинистых при показателе текучести IL 0,4.
Производство и контроль качества работ по глубинному виброуплотнению грунта втрамбовыванием щебня осуществляется в соответствии с «Технологическим регламентом», разработанным для данного объекта с учетом требований СНиП 3.06.04-91 «Мосты и трубы», СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», СНиП Ш-4-93 «Техника безопасности в строительстве», СНиП 12-03-2001 «Безопасность труда в строительстве». Проведение работ (кроме опытных) без «Технологического регламента» запрещается.
При изготовлении буронабивных свай с объемным вибровтрамбовыванием жесткого материала в основание применяется гидравлическое виброоборудование, снабженное специальными рабочими органами и обеспечивающее требуемые технологические режимы уплотняющего воздействия на жесткий материал и околосвайный грунт.
Управление специальным гидравлическим оборудованием, контроль параметров его эксплуатации в процессе сооружения свайных фундаментов производят специалисты, прошедшие профессиональную подготовку и обладающие необходимыми навыками в работе. Производство работ Буровые сваи изготавливаются с помощью бурильных агрегатов, оснащенных комплектом обсадных труб и гидравлическими погружающе-извлекающими столами, либо, при устройстве свай в грунтах, способных удерживать стенки скважин от обрушения, любым другим буровым оборудованием.
Включают вибратор в режим «погружение», постепенно залогами по 40-5-50 см погружают РО в основание скважины на глубину, зависящую от сопротивления грунта и диаметра скважины, но не менее l,0dcKB. Показателем достаточности глубины погружения РО в грунт является проявление эффекта отказа (снижение скорости погружения РО в грунт до 5 мм/мин или его полная остановка). Затем начинают пошаговое извлечение рабочего органа из грунта. Извлечение производят в ступенчатом режиме залогами 40-5-50 см, с промежуточными задержками на месте в течение 10-5-15 сек. Замеряют уровень щебня в скважине и при необходимости производят досыпку очередной порции. В процессе погружения, извлечения и вибротрамбования щебня уровень щебня в скважине должен превышать отметку ножа обсадной трубы не менее чем на 0,3 м. Затем вновь погружают РО на ту же отметку, что и в пер 149 вый раз (или на меньшую глубину, при условии достижения отказа). После этого переводят вибратор в режим «трамбование» и производят уплотнение грунтового основания в течение 2-х минут с последующим ступенчатым извлечением. После полного извлечения рабочего органа из грунта повторяют цикл «погружение - извлечение» (при необходимости с досыпкой дополнительных порций щебня) несколько раз до получения эффекта отказа в уровне забоя скважины. Для этого на последних циклах необходимо обеспечивать высоту столба щебня в скважине, равную 0,5-s-0,75hpo (hpo - высота рабочего органа).
По окончании трамбования (после достижения эффекта «отказа» в уровне забоя скважины) РО извлекают из щебня. Выключают вибратор и извлекают виброштамп из скважины. После этого с помощью погружающе-извлекающего стола бурового агрегата осаживают обсадную трубу до проектной отметки и буровым органом производят зачистку забоя скважины до уровня ножа обсадной трубы. В подготовленную скважину устанавливают арматурный каркас и бетонируют.
Похожие диссертации на Совершенствование технологии виброуплотнения основания буронабивных свай мостовых фундаментов и методики их расчета
