Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современных методов повышения несущей способности обделки эксплуатируемых тоннелей
1.1 Общие положения 10
1.2 Методы оценки состояния конструкций эксплуатируемых тоннелей 11
1.3 Возможные повреждения и факторы, влияющие на несущуюспособность обделок транспортных тоннелей 15
1.4 Методы определения несущей способности обделок 23
1.5 Анализ современных способов проведения ремонтно-восстано-вительных работ в эксплуатируемых транспортных тоннелях . 27
1.6 Формулировка задач и выбор методов исследования 33
Глава 2 Теоретические исследования системы «обделка - массив» на математических моделях
2.1 Общие положения 38
2.2 Методика проведения численных экспериментов 39
2.3 Планирование численного эксперимента 43
2.4 Влияние расположения разуплотнения на напряженно-деформированное состояние обделки 48
2.5 Влияние расположения и величины зоны укрепления на напряженно-деформированное состояние обделки 71
2.6 Выводы по главе 79
Глава 3 Экспериментальные исследования по определению технологических параметров инъекции
3.1 Исследования по укреплению мелкодисперсных грунтов 81
3.2 Методика и оборудование для экспериментальных исследований, планирование эксперимента, оценка и выбор инъекционныхматериалов 87
3.3 Экспериментальные исследования инъекционных растворов иопределение характеристик укрепленного грунта 92
3.4 Опытно-производственные испытания по инъекции грунтов минеральными вяжущими
3.5 Экспериментальные исследования по восстановлению контакта«обделка — массив» 113
3.6 Выводы по главе 126
Глава 4 Технико-экономическая эффективность реализации результатов исследования
4.1 Методика оценки технико-экономической эффективности предлагаемых технических решений 130
4.2 Технико-экономическая эффективность предлагаемого авторомварианта укрепления грунтов за обделками тоннелей 133
4.3 Технико-экономическое сравнение вариантов усиления фундаментов школы 135
4.4 Технико-экономическое сравнение вариантов укрепления грунтов при строительстве притоннельных сооружений (сбоек) между транспортными тоннелями (Серебряный Бор) 141
Заключение 147
Библиографический список использованной литературы 150
Приложения
- Методы оценки состояния конструкций эксплуатируемых тоннелей
- Методика проведения численных экспериментов
- Методика и оборудование для экспериментальных исследований, планирование эксперимента, оценка и выбор инъекционныхматериалов
- Технико-экономическая эффективность предлагаемого авторомварианта укрепления грунтов за обделками тоннелей
Введение к работе
Городские транспортные тоннели, и в первую очередь, тоннели метрополитенов, относятся к категории наиболее ответственных, и вместе с тем конструктивно наиболее сложных и дорогостоящих объектов, которые должны отвечать требованиям эффективного функционирования, безаварийной и безопасной эксплуатации при минимальных людских, материальных и финансовых издержках. Однако, недостатки проектирования, нарушение технологии строительства, естественный износ и техногенные воздействия на тоннели, причиной которых могут быть изменения гидрогеологической среды, динамические нагрузки при эксплуатации тоннелей, а также изменение нагрузок на систему «обделка - грунтовый массив» при строительстве подземных и наземных городских объектов в зонах расположения тоннелей приводят к снижению ее несущей способности. Изменение состояния заобде-лочного пространства является причиной нарушения геометрии обделок, образования трещин в блоках обделки, нередко сопровождается выносом грунта в тоннель и разуплотнением грунтов за обделкой.
Развитие дефектов и деформаций конструкций, изменение состояния заобделочного пространства преимущественно происходит на стадии эксплуатации тоннелей, когда восстановление проектных характеристик объекта становится трудоемким и дорогостоящим мероприятием.
Анализ технического состояния эксплуатируемых тоннелей и разработанной, за последние 25 лет в Научно-исследовательском Центре «Тоннели и метрополитены» (НИЦ «ТМ» ОАО ЦНИИС), проектной документации на защитные и ремонтно-строительные работы показал, что в большинстве случаев причиной снижения несущей способности обделок служит изменение состояния заобделочного пространства.
Во многих случаях восстановление проектных параметров тоннельного сооружения может быть достигнуто улучшением контакта обделки с масси 5 вом грунта (нарушенного тампонажного слоя за обделкой) и изменением физико-механических характеристик окружающего тоннельную обделку грунта путем его уплотнения или укрепления, устройства защитных конструкций из укрепленного грунта в случае дополнительных нагрузок на тоннели.
Все эти мероприятия базируются на использовании специальных способов производства работ, в первую очередь, на инъекционных технологиях, суть которых состоит в инъекции (нагнетании) в грунт, за обделку тоннелей, а также в бетонные, каменные и железобетонные конструкции растворов на основе минеральных или полимерных вяжущих. Инъекционные способы являются основными для решения такого рода технических задач и, практически, единственными, если речь идет об эксплуатируемых тоннелях.
Исходя их вышеизложенного и, имея в виду наибольшую потребность в усилении сборных железобетонных обделок заложенных в обводненных песчаных грунтах, разработку рекомендаций по выбору технологических параметров укрепления грунтового массива для этих обделок, наилучшим образом соответствующих конкретным условиям эксплуатации, следует считать актуальной научной и практической задачей.
При ее решении автором исследовалась также актуальная задача замены малопрочных и ограничиваемых по экологическим требованиям карбамидных смол на близкие к ним по проникающей способности новые инъекционные растворы на основе особо тонкодисперсных минеральных вяжущих (ОТДВ) «Mikrodur» производства концерна «Dyckerhoff» (Германия).
Проблема обеспечения несущей способности обделок транспортных тоннелей, требуемой из условий эксплуатации, в том числе, и в связи с дополнительными воздействиями от намечаемого вблизи тоннелей строительства городских объектов обусловила актуальность темы диссертационной работы.
Целью работы, таким образом, является обеспечение требуемой несущей способности нарушенных сборных железобетонных обделок эксплуатируемых транспортных тоннелей путем применения рациональной технологии инъекционных работ.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
- исследование степени влияния на несущую способность и деформа-тивность сборной железобетонной обделки условий заложения тоннелей и характеристик контактного слоя системы «обделка — массив»;
- исследование методом математического моделирования влияния параметров инъекционного укрепления грунтов на несущую способность системы «обделка — массив»;
- исследование процесса инъекции растворов на основе ОТДВ в песчаные грунты с определением области их применения и физико-механических характеристик укрепленного грунта;
- разработка рекомендаций по усилению сборных железобетонных обделок эксплуатируемых транспортных тоннелей инъекционными методами.
При выполнении диссертационной работы использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследования:
- расчетные методы определения напряженно-деформированного состояния системы «обделка - массив» с использованием программы «Plaxis»;
- математическое моделирование статической работы системы «обделка - массив» на основе метода конечных элементов с использованием программы «Plaxis», в том числе, с учетом приложения дополнительных нагрузок на обделку и изменения глубины заложения тоннелей;
- лабораторные исследования технологических параметров инъекционных растворов и физико-механических характеристик укрепленного грунта по действующим нормативам и методикам;
- натурные наблюдения и мониторинг напряженно-деформированного состояния конструкций при ликвидации пустот и разуплотнений за обделками тоннелей на эксплуатируемых объектах Московского метрополитена и опытно-производственных работах по укреплению песчаных грунтов растворами на основе ОТДВ.
Научная новизна работы состоит:
- в оценке влияния характеристик контакта «обделка - массив» на несущую способность обделок тоннелей;
- математической модели системы «обделка - массив» для исследования ее напряженно-деформированного состояния с учетом параметров укрепления грунтов, вмещающих тоннельную обделку;
- в определении технологических параметров инъекционных растворов на основе ОТДВ и физико-механических характеристик укрепленного грунта;
- определении области применения инъекционных вяжущих типа ОТДВ «Mikrodur»;
- в методике лабораторных исследований инъекции растворов на основе ОТДВ.
Достоверность полученных результатов обоснована:
- строгостью исходных предпосылок использованных расчетных моделей и методов исследований;
- учетом требований действующих нормативных и методических документов;
- использованием апробированных современных разработок отечественных и иностранных фирм;
- удовлетворительной сходимостью результатов исследований на математических моделях, в лабораторных и натурных условиях.
Практическую ценность работы составляют:
- результаты теоретических исследований влияния контакта «обделка массив» и укрепления грунта на несущую способность обделок; - рекомендации для проектирования по назначению параметров инъекции при восстановлении сплошности контакта «обделка - массив» при укреплении грунтов за обделками тоннелей и в основании сооружений;
- уточнение области применения ОТДВ «Mikrodur» по виду и коэффициенту фильтрации инъектируемых грунтов и показатели физико-механических характеристик укрепленного грунта;
- методика лабораторных испытаний грунтов укрепленных инъекцией растворов на основе ОТДВ.
Результаты работы нашли применение в проектно-сметной документации для 17 объектов, в том числе:
- на работы по уплотнению и укреплению грунтов вмещающих эксплуатируемые и вновь строящиеся транспортные тоннели (Московского метрополитена, автодорожных Лефортовского, Серебряноборского и Дербентского тоннелей);
- для обеспечения сохранности зданий и сооружений путем повышения несущей способности их оснований (при строительстве Лефортовского тоннеля, при усилении свайных фундаментов школы в поселке Тарко-Сале и др.);
- в указаниях по применению в промышленных масштабах ОТДВ для инъекционного укрепления грунтов на объектах тоннелестроения и в других областях строительства, нормативно закрепленных в СП 32-105-2004 «Метрополитены».
Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы были доложены:
- на Научно-практической конференции «Проектирование и строительство тоннелей», Сочи, 24 - 27 сентября 2003 г.
- на Научно-практическом семинаре фирмы «ИНТРА-БАУ ГмбХ» и ООО «ВЕСТА Инж», Москва, июль 2003 г. - на Международном семинаре, «Современные инъекционные материалы и технологии», фирма «MC-Bauchemie», Москва, 2003 г.
- на Международной выставке «Подземный город 2004», Москва, 2004 г. (Диплом Участника выставки).
- на секции «Тоннели и метрополитены» Ученого совета ОАО ЦНИ-ИС.
По результатам работы опубликованы 12 печатных работ, в т.ч. 2 патента на изобретение.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории «Технологии инъекционных и тампонажных работ» при участии сотрудников лаборатории «Конструкций и технологии сооружения тоннелей и метрополитенов» и «Горного давления и норм расчета» НИЦ «ТМ», а также консультациях и помощи, оказанной сотрудниками ООО «ИНТРА-БАУ ГмбХ». Автор выражает искреннюю благодарность В.Е. Меркину, В.А. Гарберу, И.Я. Харченко, А.А. Кашко, В.В. Чеботаеву, Е.В. Щекудову, Л.А. Воробьеву, Г.О. Смирновой, В.Г. Голубеву и другим за неоценимую помощь в подготовке диссертации.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 197 страниц, 57 иллюстраций, 34 таблиц, 3 приложений и списка использованной литературы из 104 наименований.
Методы оценки состояния конструкций эксплуатируемых тоннелей
Для оценки технического состояния эксплуатируемых транспортных тоннелей было разработано ряд классификаций дефектов и повреждений конструкций тоннелей, которые в той или иной мере учитывались при оценке технического состояния системы.
В одной из первых классификаций дефектов и нарушений тоннелей, влияющих на техническое их состояние, разработанной И.И. Мериновым [36] в 70-е годы прошлого века дефекты и повреждения эксплуатируемых железнодорожных тоннелей подразделены по виду (трещина, вывал грунта, габариты тоннеля и т.д.), по месту расположения дефекта в элементах конструкции тоннеля (свод, стена, фундамент и т.д.), по причинам возникновения (горное давление, пучение и т.д.). По значимости дефекта и опасности его проявления в элементах конструкций состояние тоннеля оценивалось по пятибалльной шкале (аварийное, неудовлетворительное, удовлетворительное, хорошее, отличное), в соответствии с чем, по виду отдельных дефектов или их совокупности, определялась «степень опасности» целостности конструкций. Недостаткам предложенной классификации нарушений системы явилось отсутствие такого важного и часто встречаемого показателя дефектности как обводненность конструкций, а методика оценки технического состояния при качественной картине состояния обделки не исключала потребность в экспертной оценке.
Более совершенная методика была предложена в 80-х годах Гурским В.А., Лимановым Ю.А. [34] для оценки технического состояния применялась для оценки технического состояния железнодорожных тоннелей, эксплуатируемых в суровых климатических условиях. В отличие от вышеупомянутой, классификация нарушений системы была дополнена показателем водообвод-ненности обделки тоннелей. Все дефекты и повреждения конструкций были подразделены по характерным признакам на две группы (более и менее опасные). Обводненность конструкций тоннелей характеризовалась «показателем условной обводненности обделки» (очень слабая, слабая, средняя, сильная и очень сильная) и определялась по статистическим показателям частоты появления того или иного ее вида на определенном участке тоннеля. По результатам статистической обработки и анализа материалов обследования была получена математическая модель связи стохастически независимых факторов с техническим состоянием сооружения в виде линейных уравнений регрессии.
Кроме того, впервые при оценке технического состояния эксплуатируемых тоннелей были определены количественные критерии фактического состояния конструкций тоннельного сооружения, которые учитывались в расчетах НДС обделки методом конечных элементов в объемной и плоской постановке задач теории упругости, что давало возможность оценить несущую способность обделки и прогнозировать деформации.
Техническое состояние тоннелей определялось по двум полученным зависимостям и оценивалось по четырем категориям «остаточной исправности», выраженной в процентах. Количественная оценка состояния характеризует остаточную исправность конструкции при принятой начальной исправности в процентах (от 100% до менее 50%). По показателю «остаточной исправности» назначались виды и сроки ремонта тоннелей.
В работах МГГУ и ЗАО «Триада-Холдинг» (Шилин А.А., Павлов О.Н., Кириленко A.M., и др.) представлена классификация дефектов и повреждений конструкций коллекторных тоннелей и рассмотрены вопросы обеспечения работоспособности, долговечности, надежности коллекторных тоннелей и подземных гидротехнических сооружений [16, 30, 51, 94] в зависимости от технического состояния конструкций. Была предложена модульная система технического обслуживания и ремонта тоннелей, включавшая такие основные модули, как «базу данных», «обследования», «измеряемые показатели», «оценку состояния» и «классификацию». В классификации дефектов основное внимание было отведено дефектам и повреждениям каменных, бетонных и железобетонных конструкций подземных сооружений и, в первую очередь, это касалось характеристик конструкций (толщины защитного слоя, коррозии арматуры и т.п.). Срок службы коллекторных тоннелей (или отдельного звена коллектора) определялся сроком службы плит перекрытия, который, в первую очередь, зависит от скорости процесса коррозии арматуры. Для прогнозирования сроков службы (наработки до отказа) плит перекрытия разработаны математическая и имитационная модели накопления коррозионных повреждений арматуры плит и установлены вероятностно-статистические характеристики эксплуатационной надежности конструкций коллекторов. Преобразование статистических оценок параметров в базисные переменные модели позволяет прогнозировать состояния конструкций с использованием метода Монте-Карло и относить их по состоянию к одной из трех групп по срокам ремонта {аварийное — немедленный ремонт, удовлетворительное — ремонт в ближайшие 10 лет и удовлетворительное - не требуется ремонт в ближайшее 10 лет).
В работах Куликовой Е.В. [33] исследованы условия, при которых несущие конструкции тоннелей (обследованы тоннели метрополитена и коммуникационные) находящиеся в обводненном грунтовом массиве, становятся практически водонепроницаемыми, обеспечивая заданные требования к микроклимату в подземных помещениях. Основное внимание в работе уделено исследованию водообводненности конструкций в зависимости от - плотности материала швов сборной обделки, вероятности образования течей при определенных давлениях грунтовых вод, коэффициента фильтрации бетона от коэффициента фильтрации грунтовых вод (Кф) окружающих тоннельную обделку. На основе законов фильтрации и тепломассопереноса определялась оптимальная плотность ограждающих конструкций, при которой устанавли 14 вается заданные значения влажности и температуры эксплуатируемого тоннеля. В расчетах фильтрационные характеристики грунтов, в том числе укрепленных методами инъекции, принимались по нормативным показателям грунтов. В работе была сделана попытка связать наличие обводненности обделок с фильтрационными характеристиками грунтового массива вмещающего тоннель.
Анализ имеющихся классификаций дефектов и повреждений тоннельных сооружений и методов оценки их технического состояния (Гарбер В.А., Гурский И.И., Кириленко A.M., Лиманов Ю.А., Меринов И.И., Потапова О.А., Троицкий К.Д., Шилин А.А., Kolymbas D.) показал, что применительно -к обделкам метрополитена наиболее совершенной является методика оценки технического состояния объекта разработанная в НИЦ «ТМ» под руководством В.А. Гарбера [13, 14].
Методика оценки технического состояния тоннелей и основана на определении количественных или качественных значений параметров, характеризующих прочностные, деформативные и другие нормируемые характеристики строительных конструкций. Методика разработана для подземных сооружений метрополитена и широко используется для определения фактической несущей способности эксплуатируемых транспортных метро и тоннелей, заглубленных и подземных сооружений.
Оценка технического состояния сооружений базируется на комплексном обследовании системы «обделка - массив», которое выполняется с помощью прямых, косвенных и неразрушающих натурных и расчетных методов, определяющих в полном объеме состояние системы «обделка - массив» и позволяющих получить фактические физико-механические характеристики материала конструкций и окружающего грунтового массива и выявить причины ухудшения эксплуатационных характеристик объекта.
Методика проведения численных экспериментов
Расчет напряженно-деформированного состояния грунтового массива и конструкций обделки перегонных тоннелей и станционных комплексов проводится с помощью программного комплекса геотехнических исследований «PLAXIS», использующего для решения задач метод конечных элементов.
Методика проведения численных экспериментов по моделированию внешнего воздействия на перегонные тоннели и станционные комплексы метрополитена определяется следующими ключевыми аспектами:
1. Расчет осуществляется на основе плоской постановки задачи, в этом случае прямоугольная система координат задается горизонтальной и вертикальной осями X и Y соответственно. 2. Геометрическая схема расчетной модели строится на основе характерных геометрических сечений рассматриваемого участка и соответствующих инженерно-геологических разрезов.
3. Граничные условия задаются стандартным образом путем фиксации боковых границ геометрической модели от горизонтальных, а нижней - от горизонтальных и вертикальных перемещений.
4. Грунтовый массив и все конструкции модели находятся под действием массовых сил, обусловленных гравитацией.
5. Действие поверхностных распределенных и сосредоточенных сил моделируется в соответствии с исходными данными.
6. Поведение грунтов описывается упругопластической моделью «Упрочняющегося грунта». Модель является усовершенствованной по сравнению с классической моделью Мора-Кулона и предназначена для моделирования поведения различных типов грунта - как слабого, так и прочного. Ее основная особенность заключается в зависимости жесткости грунта от напряжений. Модель «Упрочняющегося грунта» основана на тех же параметрах пластичности, что и модель Мора-Кулона - сцепление с (кН/м2), угол внутреннего трения (р (град) и угол дилатансии ц/ (град). Однако, в описании жесткости грунта участвуют сразу три модуля жесткости вместо одного: секущий модуль жесткости Е50 (кН/м2) при стандартном испытании грунта на трехосное сжатие, касательный модуль жесткости при первичном одометри-ческом нагружении Eoed (кН/м2) и модуль жесткости при разгрузке/повторной нагрузке Еиг (кН/м2). Во многих практических случаях можно принять: Eoed Е50; Еиг« ЗЕ50.
7. Для моделирования «тонких» конструкций в грунте (тоннельная и станционная обделка, стены и т.д.), имеющих значительную жесткость на изгиб и нормальную (осевую) жесткость, используются структурные объекты, называемые плитами. Плиты в двухмерной конечно-элементной модели состоят из балочных элементов, основанных на теории балок Миндлина. Теория допускает прогиб балки под действием сдвигающей нагрузки и ее изгиб. Кроме того, длина элемента может изменяться под действием осевой нагрузки. Балочные элементы могут стать пластичными при достижении максимального изгибающего момента или максимальной осевой нагрузки. Наряду с жесткостью на растяжение-сжатие ЕА и жесткостью на изгиб EI, отнесенных на единицу ширины в боковом направлении, наиболее важными параметрами при описании свойств материала плит являются коэффициент Пуассона v и объемный вес w. Эквивалентная толщина плиты deq определяется автоматически. 8. Взаимодействие между конструкцией и грунтом моделируется при помощи специальных контактных поверхностей - интерфейсов. Прочность интерфейса зависит от прочности грунта и коэффициента понижения прочности в интерфейсе. 9. При плоской постановке задачи конечно-элементная неструктурированная расчетная сетка для кластеров грунта (кластеры - замкнутые области геометрической модели) образуется 15-узловыми треугольными элементами, обеспечивающими для перемещений интерполяцию четвертого порядка. Каждый элемент содержит 12 гауссовских точек напряжения, по которым производится интегрирование при расчете матрицы жесткости. 10. С 15-узловыми плоскими элементами грунта используются 5-узло-вые балочные элементы, содержащие 4 пары расчетных точек напряжения. 11. Интерфейсные элементы определяются 5 парами узлов при контакте с 15-узловыми плоскими грунтовыми элементами. Матрица жесткости для интерфейсных элементов задается с помощью 5 точек интегрирования Ньютона-Котеса, положение которых совпадает с положением пар узлов. 12. Начальное напряженное состояние грунтового массива вычисляется на первой стадии расчета. 13. Моделирование перегонных тоннелей, осуществляется на второй стадии расчета, следующей за фазой вычисления начальных напряжений в грунте (стадия может состоять из нескольких этапов моделирования). 14. Моделирование внешнего воздействия выполняется на третей стадии расчета (стадия может состоять из нескольких этапов моделирования). 15. Производится расчет параметров, характеризующих проектное состояние грунтового массива и конструкций обделки: поле напряжений грунтового массива; деформация конструкций обделки; изгибающие моменты М и нормальные силы N в конструкциях обделки. 16. Производится расчет параметров, характеризующих состояние грунтового массива и конструкций обделки в результате внешнего воздейст вия: поле деформаций грунтового массива; деформация и общее смещение конструкций обделки; изгибающие моменты М и нормальные силы N в конструкциях обделки.
Далее производится проверка прочности с определением коэффициента запаса наиболее напряженных сечений железобетонной обделки по программе БАКСАН, разработанной в ОАО ЦНИИС в соответствии со СНиП 2.03.01-84.
Программа БАКСАН предназначена для расчета сечений элементов конструкций из ненапряженного железобетона, работающих на внецентрен-ное сжатие. Изгиб и центральное сжатие трактуются как частные (граничные) случаи внецентренного сжатия.
Методика и оборудование для экспериментальных исследований, планирование эксперимента, оценка и выбор инъекционныхматериалов
Для проведения исследований инъекционных растворов и инъектируе-мости грунтов используется лабораторное оборудование, предназначенное для испытаний инъекционных и строительных растворов и специальная лабораторная инъекционная установка, предназначенная для моделирования натурных условий укрепления грунтов путем инъекции растворов на основе минеральных вяжущих через образцы грунта.
Инъекционная установка для проведении экспериментальных работ, была изготовлена под руководством автора в НИЦ «ТМ» с использованием современного нагнетательного и измерительного оборудования и приспособлений. Она представляет собой современный, модернизированный образец аналога установки, применявшейся в исследованиях по инъекции грунтов в РФ (НИИОСП им. Н.М. Герсеванова). Установка включает: шнековый насос с манометром, емкости для инъекционного раствора и воды, электронные весы, магнитный активатор, плексигласовые колонки, заполняемые образцами испытываемого грунта. Используется установка для укрепления песчаных и супесчаных грунтов методом инъекции растворов на основе минеральных вяжущих, в т.ч. ОТДВ, тонкодисперсных минеральных вяжущих (ТМВ). Принцип инъекции состоит в пропитке грунта раствором под давлением до 0,6 МПа).
Автором был отработан порядок проведения испытаний, на инъекционной установке, подготовлена и утверждена в ЦНИИС «Методика проведения испытаний грунтов на инъектируемость минеральными вяжущими» (далее «Методика»). Помимо исследований по инъекционному укреплению грунтов, лабораторная установка используется для выбора растворов и определения технологических параметров инъекции на стадии предпроектных изысканий при разработке проектной документации на укрепление грунтов для конкретных строительных объектов.
При разработке новых видов инъекционных растворов, определении характеристик и области их применения исследователями, как правило, используются эталонные материалы (в данном случае, эталонные пески), что дает возможность при исследовании получить основные закономерности изменения характеристик укрепленного грунта или параметров инъекции и сравнивать их с экспериментальными данными, полученными разными исследователями.
Для проведения исследований в области инъекционного укрепления грунтов в РФ, как правило, в качестве эталонного грунта используется мелкозернистый Люберецкий песок [58, 75]. Гранулометрический состав песка представлен на рис. 3.4, по виду Люберецкий песок относится к пескам мелким, модуль крупности песка составляет 0,7 - 1,0 [19], содержание пылева-тых и глинистых частиц по массе - 1,4%, коэффициент фильтрации песка -2,4 м/сут.
Принципиальная схема лабораторной установки по исследованию (испытанию) инъекционных растворов (суспензий) При проведении предпроектных изысканий для конкретных строительных объектов исследования проводятся на образцах грунта, отобранных непосредственно с участка проведения инъекционных работ [18] или на образцах с аналогичной структурой, текстурой и гранулометрическим составом. В рамках настоящей работы оценка эффективности укрепления песков исследовалась на 2-х видах песков эталонном и отобранного с участка проведения опытно-экспериментальных работ.
При наличии данных по физико-механическим характеристикам эталонного грунта при проведении испытаний предварительно выбирается (назначается) вид инъекционного материала и В/Ц инъекционного раствора.
До инъекции раствора в грунт определяются характеристики инъекционного раствора, в т.ч. плотность (при помощи лабораторных весов и мер-ного цилиндра, r/cMJ), условная вязкость (по воронке Марша, в секундах), седиментация (или водоотделспие) - объем отделившейся за определенный промежуток времени воды, в % от общего объема раствора и время схватывания раствора по прибору Вика.
При испытаниях фунта на инъектируемость контролируются процесс пропитки колонки фунта сначала водой, затем 3-х кратным объемом инъекционного раствора, при этом контролируются: масса (объем) воды при заполнении инъекционной колонки водой (соответствует объему пор пробы грунта), масса раствора (суспензии) при инъектировании колонки грунта, давление нагнетания воды и раствора по манометру, время прохождения инъекционного раствора через фунт.
На основании испытаний оценивается возможность инъекции конкретного грунта растворами, приготовленными из вяжущего разных марок и разной концентрации (В/Ц). Выбрав на основе проведенных испытаний оптимальный раствор для инъекции фунта, для определения прочностных и деформационных свойств укрепленного грунта, испытания на лабораторной установке проводят повторно, заменив плексигласовую колонку пластмассовым цилиндром с внутренним диаметром не менее 100 мм. В зависимости от объема испытаний по прочностным характеристикам укрепленного фунта некоторое количество колонок с укрепленным фунтом хранится заданное время в условиях, близких к температурно-влажностному режиму фунтового массива на участке. После извлечения образцов укрепленного фунта, на подготовленные (отторцованные) образцы укрепленного фунта с диаметрально противоположных сторон по центру образцов устанавливаются тензометры Гугенбергера. Модули деформаций образцов определяются, когда напряжения в образцах не превышают 40% от временного сопротивления.
Прочностные характеристики образцов укрепленного фунта определяются в соответствии с ГОСТ 10180-90 [17]. Укрепленные образцы достаточно однородны по объемной массе, поэтому, разрушающая нафузка, как пра 92 вило, стабильна. По результатам испытаний определяется зависимость модуля деформации укрепленного грунта от временного сопротивления.
Полученные при испытаниях результаты - модуль деформации, прочность на сжатие, коэффициент Пуассона используются в расчетах для определения размеров зоны укрепления грунта.
Как известно, эффективное укрепление грунтов- зависит от параметров раствора, для суспензионных растворов, в первую очередь, от водоцемент-ного отношения, определяющего вязкость и стабильность инъекционного раствора. Снижение вязкости и повышение стабильности растворов повышает гарантии эффективной инъекции, т.е. повышает проникающую способность инъекционного раствора [5, 32, 52, 53, 75, 87, 88].
Так, показатели вязкости и стабильности растворов зависят от способа их приготовления и химических добавок, которые используются для улучшения свойств растворов. Известно также, что эффективным пластификатором для инъекционных растворов на основе цемента является пластификатор С-3 (ТУ 6-14-625), поэтому он использовался для повышения стабильности инъекционного раствора.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого авторомварианта укрепления грунтов за обделками тоннелей
При расчете экономической эффективности предлагаемого автором решения по повышению несущей способности грунтов путем укрепления грунтов за обделками тоннелей в условиях воздействия дополнительных на грузок от строящихся вблизи подземных транспортных сооружений город ских объектов определена и сравнивается стоимость инъекционных работ для следующих вариантов укрепления грунтов: по всему периметру кольца обделки (инъекция раствора произво дится за каждый блок кольца обделки, включая лотковый); по всему периметру кольца обделки, за исключением лоткового блока (наиболее распространенный вариант проведения инъекционных работ в экс плуатируемых тоннелях метрополитена); выше горизонтального диаметра, т.е. инъекция раствора производится за блоки № 1 и 2 (см. табл. 2.3 вариант 5 в главе 2).
Расчет стоимости выполняется по «Единичным расценкам на инъекционное усиление тоннелей метрополитена в железобетонной и чугунной обделке растворами карбамидной смолы КМ-3, «Mikrodur-RF» и цементо-бен-тонито-силикатными», утвержденными Протоколом № 32 РМВК при Правительстве Москвы от 27.12.2000 г.
Расценками предусматривается инъекция растворов на основе ОТДВ за унифицированную блочную железобетонную обделку наружным диаметром 5,5 м, внутренним 5,5 м при шести блоках кольца и плоского лоткового блока, параметры инъекции (В/Ц раствора, радиус его распространения и расход материалов на его приготовление определяется из условий заложения тоннеля в мелкозернистых песках средней плотности с коэффициентом пористости К„ = 0,6 и коэффициентом фильтрации фунтов Кф = 1,3 - 5,3 м/сут.). Глубина инъектируемой зоны грунта (мощность укрепления) — 1,0 м.
Стоимость работ рассчитывается по количеству точек инъекции раствора в кольце обделки тоннеля. Для первых двух случаев - при инъекции раствора по всему периметру кольца и по всему периметру кольца, за исключением лоткового блока, количество точек инъекции, соответственно, будет равно 7 и 6. Для предлагаемого автором варианта укрепления грунта за обделками тоннеля в зоне расположенной выше горизонтального диаметра количество точек инъекции уменьшается до 4. Данные расчета стоимости работ для 3-х случаев укрепления грунта представлены в таблице 4.1.
Очевидно, что предлагаемый вариант укрепления грунта значительно сокращает объемы инъекционных работ и их стоимость (на 33% и 42% по отношению ко второму и первому случаям укрепления грунта).
Недостроенное четырехэтажное здание школы с фундаментами из забивных свай (глубиной Зм и 6м) находится в неблагоприятных для строительства иженерно-геологических условиях, вызванных вечной мерзлотой и связанными с ней геокриологическими явлениями. Проектирование фундаментов на участке застройки школы выполнялось без проведения инженерно-геологических изысканий, что привело к ошибкам в определении глубины и несущей способности свай. Кроме того, при анализе исполнительной доку ментации по устройству свайных фундаментов обнаружено наличие в свайном поле поврежденных, разрушенных свай и свай с недостаточной глубиной погружения, это явилось свидетельством того, что несущая способность значительного числа свай ниже проектной. Необходимость возобновления строительных работ по школе и сдача ее в эксплуатацию в короткие сроки поставила задачу разработки и выбора способа повышения несущей способности свайного поля.
При разработке ТЭО на достройку школы рассматривались три варианта повышения несущей способности свайного основания: укрепление фундаментов инъекцией ОТДВ «Mikrodur», формирование вечномерзлых грунтов, устройство фундаментной плиты (в дополнение к имеющемуся свайному фундаменту). Для этого были проведены все необходимые расчеты несущей способности свайного основания для различных вариантов проведения работ, а также теплотехнические расчеты по оттаиванию грунтов и сохранению вечной мерзлоты. Анализ предложенных вариантов конструктивно-технологических решений повышения несущей способности свайных фундаментов (в соответствии с условиями Заказчика, ремонтно-восстановительные мероприятия разрабатывались для части здания) позволил выявить основные преимущества и недостатки предложенных технических решений и оценить целесообразность применения их для укрепления (усиления) свайных фундаментов школы.
Ориентировочные стоимости работ (объемы работ приняты по укрупненным показателям) определялись по I территориальному району на базе московских, единых районных единичных расценок с индексом пересчета (коэффициента инфляции) сметной стоимости строительно-монтажных работ для Москвы в цены декабря месяца 2000 г.
