Открытое акционерное общество

"Уральский научно-исследовательский институт

   архитектуры и строительства"

Доверяйте профессионалам!

тел.: +7 (343) 374-48-50

факс: +7 (343) 378-89-20

e-mail: as-a-uralniias@nlmk.com

Статьи

Исследование работы куста буроинъекционных свай, устраиваемых методом высоконапорной инъекции

В условиях быстрого повышения плотности городской застройки постепенно возникает дефицит «хороших» грунтов, которые можно было бы использовать в качестве основания без каких-либо трудоемких и затратных специальных мелиоративных мероприятий.

В этой ситуации возрастает роль высокотехнологичных, реализуемых в стесненных условиях методов усиления грунтового основания и повышения несущей способности фундамента. К таким относится, в частности, метод высоконапорной инъекции.

Метод высоконапорной инъекции (ВНИ) ведет свое начало от достаточно давно известного способа упрочнения грунтов – метода цементации. Суть последнего заключается в нагнетании в грунт достаточно подвижных цементно-песчаных растворов заполняющих поры в грунте. После твердения смеси создается композитный материал – грунтобетон – с высокой жесткостью и прочностью.

Нормативные документы [1] п. 6.9.2, ограничивают область применения метода цементации проницаемыми грунтами, т.е. крупнообломочными и трещиноватыми скальными, причем давление нагнетания цементных растворов не должно вызывать образования разрывов сплошности закрепляемого грунта. Указанные ограничения кажутся вполне очевидными: связные грунты, действительно, практически непроницаемы для раствора при обычно применяемом для цементации давлении. Увеличение же давления, как показывает практика, приводит к образованию отдельных трещин – гидроразрывов, по которым раствор может неконтролируемо растекаться в грунтовом массиве, не приводя к ожидаемому эффекту.

Образование указанных разрывов сплошности с теоретической точки зрения обусловлено возникновением вокруг скважины, через которую обусловлено возникновение вокруг скважины, через которую выполняется инъекция, областей предельного по Кулону-Мору состояния грунта – пластических зон. Это, в свою очередь, как следует из известных теоретических решений задачи о нагружении стенки скважины радиальным давлением [2, 3], вызвано возникновением в грунте дополнительных растягивающих напряжений (в поперечном – тангенциальном направлении).

Был высказан и опробован ряд предложений, способствующих локализации области инъекции в связных грунтах и составляющих существо метода высоконапорной инъекции (В.А. Богомолов [4] и др.). В их числе: выполнение инъекции вязкими растворами, которые не будут неконтролируемо растекаться в массиве, но в тоже время будут кольматировать образуемые в грунте трещины и разрывы; применение специальной технологии, предполагающей кратковременные задержки инъекции для «самозалечивания» образующихся трещин и разрывов в грунте и т.д.

Реализация подобных мер приводит к практически полной замене исходного принципа усиления грунтового основания – равномерного насыщения массива жесткой бетонной компонентой, т.е. создания грунтобетонного композита, – на новый – армирование грунтового массива отдельными, достаточно четко локализованного вертикальными бетонными элементами с дополнительным эффектом (ожидаемым) – уплотнением грунтового массива высоким давлением.

Иными словами, метод высоконапорной инъекции в связных грунтах представляет собой не цементацию грунта, а способ устройства буроинъекционных свай специального вида (рис.1).

Рис. 1 Схема установки для осуществления высоконапорной инъекции: 1 – компрессор; 2 – ресивер; 3 – трубопроводы; 4 – инъекторы

В этом качестве он проявил определенную эффективность, прежде всего, связанную с высокой технологичностью (метод может быть применен в стесненных условиях, в т. ч. в ходе строительства). В то же время, сколько-нибудь существенного эффекта за счет собственно опрессовки грунтового массива высоким давлением на этом пути достигнуто не было. Прежде всего, это вызвано сохраняющимися ограничениями на величину применяемого давления – опасность неконтролируемых протечек  через трещины гидроразрывов предложенными мерами полностью не устранялась.

Более того, как известно, теоретическое решение задачи осесимметричного одномерного нагружения неограниченного упругого массива (задача Ламе) показывает отсутствие объемных деформаций, т.е. собственно уплотнения – основного фактора предполагаемого улучшения характеристик грунта.

Как следствие, в проектной практике буроинъекционные сваи ВНИ рассматриваются как «обычные буроинъекционные» со всей соответствующей нормативной регламентацией и методами расчета, без учета каких-либо дополнительных, связанных с технологией их устройства, положительных факторов.

Новые перспективы связаны с реализацией концепции т. н. геоблока ВНИ, который в общем случае представляет собой куст из свай ВНИ, устраиваемый по специальной методике.

Геоблок ВНИ характеризуется следующими признаками (рис. 2):

1) размещением свай в плане – одна группа свай (контурные сваи, или т.н. «контурная обойма») располагается на внешней границе подкрепляемого участка с шагом по длине контура 0.5 – 0.8 м; другая группа (внутренние сваи) – внутри контура;

2) последовательностью выполнения – сначала устраиваются контурные сваи, затем – не менее, чем через двое суток – внутренние;

3) давлением нагнетания – контурные сваи выполняются при давлении 0.3 – 0.6 МПа, внутренние – 0.6 – 2.0 МПа (в зависимости от вида грунта и пр.).

Заметим, что шаг контурных свай не соответствует указаниям Норм о расстоянии между буроинъекционными сваями (не менее 1 м в свету) [5], однако в данном случае такое отклонение от нормативных требований создает, как будет показано ниже, совершенно новое качество.

Наличие контурных свай при выполнении инъекции через внутренние инъектора препятствует проникновению бетонной смеси за пределы контура при достаточно высоком давлении инъекции, резко снижая размеры пластических зон вокруг скважины.

Указанные положения можно проиллюстрировать следующими теоретическими выкладками.

Рассматривается задача формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) грунта вокруг бесконечной по длине скважины  радиуса r0 , заключенного внутри жесткой обоймы радиусом R, при приложении к стенке скважины равномерного давления р (рис. 3).

Рис.3  Схематизация задачи об образовании инъекционной полости в грунте:

1 – ствол буроинъекционной сваи; 2 – инъекционное уширение

При сравнительно небольших значениях p распределение напряжений в грунтовом массиве получается из решения соответствующей упругой задачи (см. формулу 1, 1.1)

где p – давление на стенке скважины; r – радиальная координата;σr и σφ – соответственно, радиальное и тангенциальное напряжения в точке с координатой r; β =1-2ν, где ν – коэффициент Пуассона.

При превышении давления на стенки скважины некоторого критического значения Ркр, в массиве грунта возникает кольцевая зона предельного по Кулону-Мору состояния (пластическая зона), с увеличивающимся в процессе нагружения внешним радиусом  r1 (рис. 4).

Рис.4. Образование пластической зоны при нагружении скважины: 1-скважина; 2-зона предельного состояния при условной сплошной обойме; 3- зона предельного состояния при прерывистой контурной обойме из контурных свай; 4-контурные сваи; 5-условная сплошная обойма

Величина критического давления определяется формулой:

Ркр =c*cosφ*(1 + β*R2/ r02) / (β*R2/ r02 sinφ)

(3)

Где c и φ – прочностные характеристики грунта, соответственно, сцепление и угол внутреннего трения.

Зависимость давления Ркр от радиуса контурной обоймы (при ν =0,4 и  φ = 18°)  приведена на графике (рис.5).

Рис.5.   Зависимость критического давления Pкр от радиуса контурной обоймы R

Распределение напряжений в пластической зоне описывается формулами (2, 2.1)

где α =2sinφ/(1+sinφ).

При этом, радиус пластической зоны r1 удовлетворяет трансцендентному уравнению:

(p+C*ctgφ) (β*R2 - r12*sinφ) = с*сosφ*(r1+ β*R2 ) (r12/ r0)α

(6)

Зависимость радиуса пластической зоны  от давления Ркр при различных размерах контурной обоймы приведена на рис. 6.

Рис.6. Зависимость радиуса пластической зоны от давления Ркр на стенки при различных значениях  R

На рис. 7 приведена расчетная зависимость средней относительной объемной деформации массива εv внутри контурной обоймы (при давлении Р=1,0 МПа и модуле неупрочненного грунта Е=8 МПа) в зависимости от ее радиуса R.

Рис.7. Зависимость средней относительной объемной деформации массива εv внутри контурной обоймы, от ее радиуса R

Как видно из приведенных графиков и формул, наличие контурной обоймы:

  • Резко тормозит образование областей предельного состояния.
  • Повышает величину критического давления Ркр.
  • Вызывает объемные деформации уплотнения грунта.

Отметим, что по опыту устройства геоблока на реальных объектах, протечки раствора за контурные сваи не отмечены.

Все это способствует весьма эффективному уплотнению и упрочнению грунтов внутри контура, образованию весьма жесткого и прочного грунтобетонного массива. Кроме того, повышенное давление обеспечивает  и проникновение наиболее подвижных фракций бетонной смеси в поры грунта, т.е. частичную цементацию.

Так, согласно исследованиям В.В. Богомолова, В.В. Лушникова и др. [2, 4], прочностные и деформационные характеристики межсвайного грунта возрастают в 3-15 раз по сравнению с «доинъекционным» состоянием и достигают значений: модуль деформации – 40-100 МПа, сцепление – 0,1 – 0,5 МПа.

Как показывает расчетный анализ, данный массив работает – вместе с контурными и внутренними буроинъекционными сваями ВНИ – как единое жесткое тело, по своей несущей способности эквивалентное условной «мега-свае» с размерами, соответствующими размерам всего геоблока (рис. 8).

Рис. 8. Осадка отдельной (одиночной) сваи в обойме из свай

Специальный численный анализ показал также, что устройство дискретной (прерывистой) обоймы в виде отдельных контурных свай ВНИ с шагом 500 – 800 мм, как  было описано выше, обеспечивает с достаточной для практики точностью воспроизведение всех эффектов «теоретической» сплошной контурной обоймы.

По результатам экспериментального исследования  плитно-свайного фундамента на геоблоках из свай ВНИ [6], с применением датчиков давления (заложенных в основание плиты) и геодезических наблюдений за осадками здания по ул. Фрезеровщиков, 35 в Екатеринбурге, получены следующие результаты.  При расчете свайного куста ВНИ по существующим нормам, т.е. как "обычных" буроинъекционных свай, распределение нагрузки между плитной и свайной компонентами фундамента должно было происходить в отношении 50 : 50, что и было заложено в проектное решение. По факту на плиту пришлось только 10%, а на геоблок – 90%.

Анализ данных полученных при эксперименте, показал, что причиной такого распределения нагрузки является работа геоблока ВНИ как одной большой "мега - сваи", несущая способность которой значительно превосходит суммарную несущую способность отдельно рассматриваемых свай.

Ю.Р. Оржеховский, канд. техн. наук

«Урал НИИ ПРОЕКТ-РААСН» Екатеринбург, Россия

А.С. Ярдяков, старший научный сотрудник,

 ОАО институт «УралНИИАС», Екатеринбург, Россия

Список использованных источников:

  • СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.– М.: Минрегион России, 2011.– 166 с.
  • Лушников В.В. Развитие прессиометрического метода исследований нескальных грунтов. Дис. д-ра техн. наук - Свердловск, 1990 - 393 c.
  • Оржеховский Ю.Р. Экспериментальное обоснование термопрессиометрического метода испытаний оттаивающих грунтов оснований зданий и сооружений: Дис. канд. техн. наук. - Свердловск, 1987. - 170 с.
  • Богомолов В.А. Метод высоконапорной инъекции связных грунтов при устройстве и усилении оснований и фундаментов: Дис. канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2002. - 120 с.
  • СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85*.– М.: Минрегион России, 2011.– 90 с.
  • Лушников В.В., Оржеховский Ю.Р., Ярдяков А.С. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния грунтового основания комбинированного плитно-свайного фундамента. Четырнадцатые уральские академические чтения, сб. трудов. – Екатеринбург, 2009 г.

 


Страница: 1 2 3 4 5

Анализ расчетов осадок в нелинейной стадии работы грунта

Выход за пределы линейных зависимостей «напряжение, давление – деформация, осадка» для грунтов, как и других материалов (стали, бетона), – актуальная задача науки и практики, характеризующаяся желанием повысить экономичность проектных решений, разумеется, не снижая надежности решений. Главный вопрос – насколько далеко можно выйти за пределы линейных зависимостей, не опасно ли это? Именно на этой границе перестают действовать линейные законы и начинают действовать новые законы – нелинейной механики, прочности и проч.

Плитно-свайные фундаменты, применение и перспективы

В продолжение цикла статей о технологии плитно-свайного фундаментостроения, представляем информационную обзорную статью о применении, перспективах и преимуществах развития плитно-свайного фундаментостроения в условиях современного мегаполиса

Экспериментальное исследование основания комбинированного плитно-свайного фундамента

Приводятся результаты наблюдений за распределением и динамикой изменения контактных напряжений (отпора грунта) по подошве комбинированного плитно-свайного фундамента строящегося жилого дома в г. Екатеринбурге

Строительство в водонасыщенных грунтах

В современных условиях плотной городской застройки каждый квадратный метр земли на счету, поэтому строительным компаниям приходится выбирать проектные решения применительно к существующим инженерно-геологическим условиям на площадке.

Страница: 1 2 3 4 5


 

© 2017 ОАО
«Уральский
научно-исследовательский
институт архитектуры и
строительства»

Контакты

тел.: +7 (343) 374-48-50

факс: +7 (343) 378-89-20

Коммерческий отдел:
+7 (343) 365-47-18

e-mail:as-a-uralniias@nlmk.com

620137, Екатеринбург, а/я 330,
ул.Блюхера, 26   [схема прое зда]

www.uralnias.ru