CC BY
113
УДК 627.3
Е.А. Корчагин, М.А. Сахненко*, Г.А. Степанян*
ФГБОУ «МГСУ», *ФБОУВПО «МГАВТ»
СТРОИТЕЛЬСТВО ПРИЧАЛОВ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ ОСНОВАНИЯ С ИСКУССТВЕННО УЛУЧШЕННЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Рассмотрена технология закрепления слабых грунтов основания илоцемент-ными сваями. На основании натурных данных и лабораторных исследований проведен анализ эксплуатационного состояния построенных на слабых грунтах грузовых причалов в порту Тюмрюк. Рассмотрен вопрос о возможности повышения категории грузовых причалов, построенных на слабых основаниях и армированных илоцементными сваями.
Ключевые слова: илистые грунты, грунтоцементный композит, штамповые испытания, категория причала, шаг сваи, технология армирования слабых грунтов.
Морской порт Темрюк расположен на Таманском побережье Азовского моря при впадении в него р. Кубань, в 4 км от г. Темрюк Краснодарского края. В порту Темрюк эксплуатируются причалы и подъездные железнодорожные пути, возведенные на слабых основаниях.
Этот район характеризуется залеганием 18-метровой толщи ила, иловатых суглинков, иловатых глин (угол внутреннего трения от 3 до 10°, удельное сцепление от 5 до 14 кПа, плотность от 16,8 до 17,3 кН/м3, модуль общей деформации от 3 до 4 МПа) сейсмичностью 8-9 баллов, низкими отметками суши, заболоченностью территории, периодическим подъемом уровней воды при северо-западных ветрах до 3,3 м от нуля порта, отсутствием относительно близко расположенных карьеров местных строительных материалов и свалок заменяемого грунта.
Естественная территория причалов имела отметки от 0,2 до 1,1 м от нуля акватории порта и была покрыта густой растительностью из травы и камыша. Действовавшие на тот период нормы проектирования рекомендовали снимать растительный слой и заменять его качественным грунтом. Мощность грунта, пронизанного мощной корневой системой камыша, составляла 3.. .5 м, поэтому устойчивость откосов была достаточно велика. В результате изучения на месте опыта эксплуатации грунтовой дороги, поведения растительного слоя, пронизанного мощной корневой системой камыша проведения штамповых испытаний естественного основания нагрузкой, превышающей эксплуатационную с учетом практического опыта возведения и эксплуатации сооружений со сходными условиями, было принято решение растительный слой не снимать, произвести скашивание зеленой массы и засыпку территории на период строительства песчаным грунтом с углом внутреннего трения от 23 до 27°, слоем от 0, 5 до 1,0 м. Дальнейший ход строительства и эксплуатации подтвердил правильность принятого решения [1].
При наличии слабых грунтов основания с учетом сейсмичности района строительства основным требованием нормативных документов является либо
удаление слабых грунтов, либо специальные меры к их уплотнению или закреплению. Было принято решение о закреплении слабого грунта. При принятии к реализации проекта порта Темрюк был использован многолетний опыт, а также новейшие достижения в области портового гидротехнического строительства [2].
В практике строительства используется целый ряд способов возведения сооружений на территориях с залеганием слабых водонасыщенных грунтов [3].
Замена слабых грунтов в портовом строительстве является дорогостоящей операцией, при этом основная проблема состоит в удалении и утилизации больших объемов илистых грунтов.
Использование песчаных дрен для консолидации слабого основания характеризуется значительным увеличением времени строительства и потребности в больших объемах песка, необходимого для изготовления песчаных дрен и создания пригрузки территории. Оба фактора приводят к значительному удорожанию объекта. Однако основным эксплуатационным недостатком закрепленных слабых оснований с помощью песчаных дрен следует считать относительно низкую несущую способность закрепленного грунта оснований причалов.
Одно из главных преимуществ технологии армирования слабых грунтов основания грунтоцементными (илоцементными) сваями над технологией песчаных дрен — отсутствие огрузки территории и сокращение времени строительства сооружения за счет исключения времени консолидации грунта [4].
Этот способ закрепления слабых оснований посредством смешивания вяжущего с грунтом естественных оснований, предложенный в 1932 г.- инженером Т.А. Молчановым1, получил распространение и был усовершенствован благодаря усилиям специалистов отечественных и зарубежных организаций: Келлер, НИОСП, Союзморниипроект, Московская государственная академия водного транспорта, ЗАО «Молморстрой» и др. Этот метод за рубежом получил наименование DSM (Deep Soil Mixing). Вместе с тем для обеспечения требуемого качества метод DSM требует тщательного учета местных условий и специальной обработки технологии [5].
На основе предварительных исследований сделан вывод об эффективности укрепления грунтовых оснований «сухим» способом фирмы Junttan (внесение вяжущего вещества в закрепляемый грунт в виде сухого цемента) с применением установки Junttan DS15.
На первоначальном этапе производства работ по проекту учитывались контрольные работы по оценке соответствия физических параметров закрепленного грунта проектным. В качестве вяжущего для естественных грунтов возводимых причалов в порту Темрюк было принято решение использовать сульфатостойкий цемент марки 500 с обычной тонкостью помола (удельная поверхность 2500...3000 м2/Н). Заправка установки цементом осуществляется с колес и с мобильного склада емкостью равной 2-3-дневному расходу.
1 Т.А. Молчанов — военный инженер, занимался проектированием и строительством во-
енных укреплений и сооружений в период Великой отечественной войны, а также разработкой укрепительных и оборонительных сооружений в послевоенное время.
Сущность закрепления грунтов методом DSM заключается в том, что нагнетание цемента осуществляется одновременно с вращательным погружением в грунт инъектора и смесителя. Скорость погружения инъектора и смесителя зависит от физико-механических характеристик грунта, глубины погружения, объема подачи цемента. Предельное давление нагнетания при закреплении грунтов инъекционными способами назначалось из условия исключения возможности разрывов сплошности закрепляемого грунта. Для данных условий была принята следующая технология: 1) забуривание в грунт со скоростью подачи рабочего органа v = 0,07 м/с, со скоростью вращения n = 50...60 об/мин; 2) рыхление грунта со скоростью подачи рабочего органа v=0,07.0,1 м/с, со скоростью вращения n = 50.60 об/мин; 3) подача цемента из бункера в цементовод при скорости вращения рабочего органа n = 150.200 об/ мин; 4) введение цемента в грунт при скорости вращения рабочего органа n = 150.200 об/мин; 5) введение цемента в грунт при отключенном питателе при скорости вращения рабочего органа v = 150.200 об/мин; 6) уплотнение верхнего слоя илоцементной смеси и формирование головной части при скорости подачи рабочего органа v = 0,03 м/с и скорости вращения рабочего органа n = 50.60 об/мин.
В соответствии с нормативными документами проведены лабораторные испытания грунтов на закрепляемость и натурные качественные испытания на несущую способность закрепленного и незакрепленного естественного грунта основания, оценена возможность и область применения грунта от дноуглубительных работ [6].
Исследованы и уточнены физико-механические характеристики грунтов основания. Исследования проводились в лабораторных и натурных условиях. Впервые в инженерной практике в 2000 г. в порту Темрюк были проведены сейсмометрические работы по изучению свойств естественных и закрепленных грунтов. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что имеет место существенное различие в распределении скоростей упругих волн по разрезам закрепленных и незакрепленных грунтов. Это находит соответствующее выражение и в динамических упругих модулях. Скорость нарастания упругих характеристик с глубиной и абсолютные значения скорости волн, модуля Юнга и модуля сдвига для закрепленных грунтов значительно выше. Особенно существенны различия в сдвиговых характеристиках грунта [7].
В одних случаях эти особенности связаны с границей между илами разного состава на глубине около 12 м, в других — обусловлены наличием линз и прослоев мелкого песка на глубинах от 14 до 15 м.
После закрепления основания илоцементными сваями территории причалов были проведены штамповые испытания. Испытания слабого грунта, армированного илоцементными сваями малым и большим штампом были проведены непосредственно на территории причала.
Особенностью данных испытаний является то, что основанием на причале является не грунт в естественном залегании или насыпной грунт, а композит, состоящий из ила, мощностью от 14 до 17 м, закрепленный илоцементными сваями. Следовательно, вертикальную нагрузку на причале воспринимает распределительный песчаный слой и передает главным образом на илоцементные
сваи и частично на ил, находящийся в межсвайном пространстве. Роль свайного поля в обеспечении эксплуатационной надежности территории причала безусловно преобладает, что дает право положить ГОСТ 5686—782 с учетом особенностей работы штампа в основу методики штамповых испытаний.
По результатам проведенных испытаний малым штампом установлена характеристика деформируемости илоцементного композита, составившая по величине модуль деформации равный 5,0...5,5 МПа, при максимальном давлении на штамп 112,3 кН/м2 и общей осадке штампа, составившей 0,0275 м [8]. При испытании территории большим штампом было приложено семь ступеней нагружения, что составило общую результирующую нагрузку 117,3 кН/м2.
Задача испытаний состояла в определении величины давления на штамп соответствующей нормативным условиям стабилизации деформаций штампа. Результат испытаний очень важен для решения вопросов, связанных с эксплуатацией причала, и, в первую очередь, для оценки возможности кратковременного загружения территории равномерно-распределенной нагрузкой, превышающей Р = 90 кН/м2 с коэффициентом кратковременной перегрузки, равным 1,3. Результаты штамповых испытаний представлены графически на рис. 1.
Нагрузка Р, т/м'
0 1.68 3,36 6.03 6,7 836 10,06 11,73
0 0,6 1
1,5 2
£
г
ьо "
Рис.
Лабораторные испытания материала илоцементных свай показали: пребывание в воде не приводит к потере формы образца, плотность образца 16,7.18,9 МН/м3, прочность на одноосное сжатие 0,06.1,2 МПа, модуль деформации 0,8.8,26 МПа.
С целью изучения композиционного материала, получаемого в результате смешения ила с цементом, и взаимодействия его с окружающим грунтом, на территории причала было проведено извлечение илоцементой сваи из грунта. Исследование показало, что илоцементная свая имеет форму столба с послойным расположением цементного и илоцементного камня в радиальном направлении, как показано на рис. 2 [8].
2 ГОСТ 5686—78. Сваи. Методы полевых испытаний. М. : Госстрой СССР, 1979.
у = 0,2526х Л- = 0,822 !
1. Результаты штамповых испытаний
а б
Рис. 2. Извлеченный ствол грунтоцементной композиции сваи: а — извлеченный столб сваи; б — поперечный разрез сваи
За счет подачи вяжущего в грунт под давлением до 6 атм некоторая доля его проникает в околоствольное пространство, изменяя физико-механические характеристики грунта. Испытания буровых образцов показали, что угол внутреннего трения может увеличиться на 400 %, модуль деформации — на 300 %, плотность скелета грунта — до 7 %, удельное сцепление — на 214 %, плотность грунта естественной влажности может изменяться в пределах до 2 %.
Результаты комплексных полевых исследований илоцементных свай дают основание проектировать причалы в порту Темрюк под нагрузки второй категории.
Построенные в порту Темрюк причалы при смене собственника были перепрофилированы для переработки навалочных грузов. Эксплуатационные нагрузки значительно возросли по сравнению с предусмотренными проектом.
Проведенными натурными обследованиями зафиксированы некоторые деформации на причале, причиной которых явилась бесконтрольная перегрузка навалочными грузами (рис. 3, 4).
Рис. 4. Просадки незакрепленной илоцементными сваями территории в тыловой зоне причала
Вместе с тем, деформации не оказались катастрофическими и не вывели из эксплуатации причальный фронт, подкрановые и железнодорожные пути (рис. 5). Возросший грузопоток по подъездным путям практически не сказался на их состоянии.
а б
Рис. 5. Прикордонная и переходная зона с подкрановыми и железнодорожными путями: а — подкрановые пути; б — железнодорожные пути
В настоящее время эксплуатирующая организация порта ставит вопрос об увеличении категорийности причалов в порту. Для этого необходимо провести анализ существующего состояния причального фронта и исследовать возможности увеличения категории причалов со второй до первой.
Для этого проведены сравнительные расчеты несущей способности ило-цементных свай для эксплуатационных нагрузок второй и первой категории [9]. Диаметр илоцементных свай 0,5 м. Физико-механические характеристики грунтов приняты в соответствии с натурными данными.
Несущая способность сваи по грунту определяется из условия [9, 10] N<ук, (1)
где N — расчетная нагрузка, передаваемая на сваю (продольное усилие, возникающее в ней от расчетных нагрузок); ^ — несущая способность одиночной сваи; у к — коэффициент надежности.
Илоцементные сваи рассчитываются на действие следующих нагрузок (рис. 6):
а) от веса складируемых на причал грузов N;
б) веса распределительного слоя
в) собственного веса сваи Ы3;
Расчетная несущая способность сваи составляет 158, 4 кПа (15,8 т/м2).
Рис. 6. Расчетная схема для определения шага свай LС
По существующей методике, нагрузки Ых и Ы2 на головы свай определяются в предположении полного распределения этих нагрузок на единицу «грузовой площади» свайного поля [9]. Сетка свайного поля непосредственно зависит от величины грузовой площади, с которой производится сбор нагрузок N и N2 .
Шаг илоцементных свай определяется из условия
Ьс =
^ - Ыз У* (2)
\( N1 + N2 )у / Расчетный шаг свай приведен в табл. 1.
Шаг свай (в скобках расстояние в свету) в грузовых зонах территории причала при нагрузках первой и второй категории
№№ Категория причала Шаг свай в грузовых зонах Lс, м
пп А В С D
1 I 1,12 (0,62) 0,96 (0,46) 0,83 (0,33) 0,69 (0,19)
2 II 1,17 (0,67) 1,03 (0,53) 0,95 (0,45) 0,83 (0,33)
Как следует из расчетов (см. табл.), условия СНиП 2.02.03—85*3 выполняются только для грузовых зон А и В (второй категории нагрузок) и для зоны А (первой категории нагрузок).
Таким образом, результаты расчетов и исследований показали, что существенно повысить категорию нагрузки на открытых складских площадях достаточно сложно, поскольку илоцементные сваи диаметром 0,5 м не обеспечат несущую способность под нагрузкой первой категории. Решение проблемы можно искать в изменении конструкции закрепления слабого основания и в учете тиксотроп-ных свойств глинистых грунтов оснований [10]. Конструктивные решения заключаются в подборе такого свайного основания, которое, с одной стороны, армировало бы слабый глинистый грунт и с другой — воспринимало эксплуатационную нагрузку [4, 9].
Анализ и исследования эксплуатационного состояния причалов в порту Темрюк показали, что многолетний опыт эксплуатации распорных причальных сооружений, возведенных на грунтах малой степени литификации большой мощности, закрепленных илоцементными сваями может быть оценен положительно, и рекомендован для закрепления портовых территорий, земляного полотна железных и автомобильных дорог, в основании которых залегают слабые грунты.
Библиографический список
1. Корчагин Е.А. Использование местных условий при строительстве портовых сооружений на слабых грунтах // Материалы научно-практической конференции МГАВТ. М. : Альтаир, 2010. С. 26—28.
2. «Soil Classification System and Method of the Result of Classification», Journal of Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation, Vol. 21, No. 5, 1973, (J) pp. 21—25.
3. Марченко А.С. Морские портовые сооружения на слабых грунтах. М. : Транспорт, 1976. 312 c.
4. EuroSoilStab. CT 97-0351 Project No.:BE 96-3177. Design Guide Soft Soil Stabilisation. Development of design and construction metods to stabilise soft organic soils. London: Ministry of public works and water management, 2000. 94 p.
5. Корчагин Е.А. Опыт проектирования, строительства и эксплуатации причала в сложных условиях. М. : Речной транспорт XXI век, 2000. № 1. С. 63—64.
6. Lunne T. Robertson P.K. & Powell J.J.M. CPT in technical works. London: Blekis, 1997. 110 p.
7. Научно-технический отчет «Разработка методики определения сейсмического давления грунта на грузовой причал в порту Темрюк». М. : ТОО «Товарищество кафедры Мосты МИИТА», 1995. 180 c.
8. Научно-технический отчет по работе «Исследование структуры илоцемент-ных свай на грузовом причале Кубанского Речного Пароходства в п. Темрюк / АО «Ассоциация МОЛ-ИНК», Инженерная фирма «Инжмол». М., 1996. 86 c.
9. Степанян Г.А. Исследование сетки илоцементных свай для причалов 1 и 2 категории // Материалы научно-практической конференции МГАВТ. М. : МГАВТ, 2012. С. 17—19.
10. Костюков В.Д., Степанян Г.А. К вопросу о повышении несущей способности территории причалов на слабых основаниях // Речной транспорт (XXI век). 2012. № 1. С. 70—72.
з
СНиП 2.02.03—85* Нагрузки и воздействия», 2.01.07—85*. М. : Госстрой России, 2003. (глава 3).
Поступила в редакцию в июне 2013 г.
Об авторах: Корчагин Евгений Александрович — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры производства гидротехнических работ и подземного строительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва Ярославское шоссе, д. 26, expert. korchagin@mail.ru;
Сахненко Маргарита Александровна — кандидат технических наук, доцент кафедры водных путей и портов, ФБОУ ВПО «Московская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «МГАВТ»), 117105 г. Москва, Новоданиловская наб., д. 2, к. 1, sempsk@gmail.com;
Степанян Георгий Арутюнович — аспирант кафедры водных путей и портов, ФБОУ ВПО «Московская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «МГАВТ»), 117105 г. Москва, Новоданиловская наб., д. 2, к. 1, kafedraport@bk.ru.
Для цитирования: Корчагин Е.А., Сахненко М.А., Степанян Г.А. Строительство причалов на слабых грунтах основания с искусственно улучшенными физико-механическими характеристиками // Вестник МГСУ. 2013. № 8. С. 68—77.
E.A. Korchagin, M.A. Sakhnenko, G. A. Stepanyan
CONSTRUCTION OF MOORINGS ON LOOSE SOILS HAVING ARTIFICIALLY IMPROVED PHYSICAL-MECHANICAL CHARACTERISTICS
This paper covers the technology of stabilization of loose soils through the employment of silt-cement piles, or the so-called deep soil stabilization technology. It is applicable to various types of loose soils, including clay, sapropel, silt and peat. However, geotechnical and chemical properties of soils surely affect the stabilization efficiency and the choice for the stabilization material.
The authors provide a brief overview of the soil stabilization technology employing silt-cement piles and based on the principle of dry mixing of water-saturated natural soil with cement. Thus, dry powder enters into the chemical reaction with the stream of water to reduce the content of water in the soil. The research into the bearing capacity of silt-cement piles and the stabilized territory of moorings was performed in the Temryuk port.
The co-objective of the research was to identify the operating conditions of cargo moorings in the Temryuk port constructed on loose soils. All conclusions were based on the field data, seismometric and laboratory tests. The analysis of and research into the operating conditions of moorings demonstrate the efficiency of the long-term operation of berthing facilities constructed on the soils stabilized by silt-cement piles. This methodology can be used to stabilize port territories, road beds of railways and highways constructed on loose soils.
The authors also elaborate on the potential upgrade of categories of cargo moorings constructed on loose soils and stabilized by silt-cement piles. Calculation results and researches demonstrate that it is quite difficult to significantly upgrade loading categories in respect of open warehouse spaces, as silt-cement piles of the pre-set diameter cannot provide for the bearing capacity corresponding to the first category loading. The solution may consist in the change of the stabilization design with account for the thixo-tropic properties of clay soils. Structural solutions may consist in the selection of the pile foot designs that may stabilize loose clay soils, on the one hand, and meet the loading requirements, on the other hand.
Key words: slime soils, soil-cement composite material, plate tests, mooring category, pile spacing, loose soil reinforcement technology.
References
1. Korchagin E.A. Ispol'zovanie mestnykh usloviy pri stroitel'stve portovykh sooruzheniy na slabykh gruntakh [Taking Advantage of the Local Environment in the Process of Construction of Moorings on Loose Soils]. Materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Works of Science and Practical Conference]. Moscow, MGAVT Publ., Al'tair Publ., 2010, pp. 26—28.
2. Soil Classification System and Method of the Result of Classification. Journal of Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation. 1973, vol. 21, no. 5, pp. 21—25.
3. Marchenko A.S. Morskie portovye sooruzheniya na slabykh gruntakh [Sea Moorings on Loose Soils]. Moscow, Transport Publ., 1976, 312 p.
4. EuroSoilStab. CT 97-0351 Project No.: BE 96-3177. Design Guide Soft Soil Stabilization. Development of Design and Construction Methods to Stabilize Soft Organic Soils. London, Ministry of public works and water management, 2000, 94 p.
5. Korchagin E.A. Opyt proektirovaniya, stroitel'stva i ekspluatatsii prichala v slozhnykh usloviyakh [Experience of Design, Construction and Operation of Mooring in the Severe Environment]. Moscow, Rechnoy transport XXI vek [River transport in the 21st century]. 2008, no. 1, pp. 63—64.
6. Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M. CPT in Technical Works. London, Blekis, 1997, 110 p.
7. Nauchno-tekhnicheskiy otchet "Razrabotka metodiki opredeleniya seysmicheskogo davleniya grunta na gruzovoy prichal v portu Temryuk" [Scientific and Technical Report on Development of Methodology for Identification of Seismic Pressure of Soil on the Cargo Mooring in the Temryuk Port]. Moscow, Tovarishchestvo Kafedry Mosty MIITA Publ., 1995, 180 p.
8. Nauchno-tekhnicheskiy otchet po rabote «Issledovanie struktury ilotsementnykh svay na gruzovom prichale Kubanskogo Rechnogo Parokhodstva v p. Temryuk [Scientific and Technical Report on Research into the Structure of Silt-cement Piles in the Cargo Mooring, Kuban River Shipping Company, Temryuk]. Moscow, Assotsiatsiya MOL-INK Publ., Inzhmol Publ., 1996, 86 p.
9. Stepanyan G.A. Issledovanie setki ilotsementnykh svay dlya prichalov 1 i 2 kategorii [Research into the Network of Silt-cement Piles for 1st and 2nd Category Moorings]. Materialy nauchno-prakticheskoy konferentsii MGAVT [Works of MGAVT Science and Practical Conference]. Moscow, MGAVT Publ., 2012, pp. 17—19.
10. Kostyukov V.D., Stepanyan G.A. K voprosu o povyshenii nesushchey sposobnosti territorii prichalov na slabykh osnovaniyakh [On the Issue of Improvement of the Bearing Capacity of the Territory of Moorings on Loose Soils]. Rechnoy transport XXI vek [River transport in the 21st century]. 2012, no. 1, pp. 70—72.
About the authors: Korchagin Evgeniy Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor, Department of Hydraulic Engineering Works and Underground Construction, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaro-slavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; expert.korchagin@mail.ru;
Sakhnenko Margarita Aleksandrovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow State Academy of Water Transport (MGAVT), Building 1, 2 Novo-danilovskaya nab., Moscow, 117105, Russian Federation; sempsk@gmail.com;
Stepanyan Georgiy Arutyunovich — postgraduate student, Department of Waterways and Moorings, Moscow State Academy of Water Transport (MGAVT), Building 1, 2 Novo-danilovskaya nab., Moscow, 117105, Russian Federation; kafedraport@bk.ru.
For citation: Korchagin E.A., Sakhnenko M.A., Stepanyan G.A. Stroitel'stvo prichalov na slabykh gruntakh osnovaniya s iskusstvenno uluchshennymi fiziko-mekhanicheskimi khara-kteristikami [Construction of Moorings on Loose Soils Having Artificially Improved Physical-mechanical Characteristics]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 68—77.
