CC BY
20
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 69.001.5+ 624-2/-9
РУБЦОВ ОЛЕГ ИГОРЕВИЧ, заведующий НИиППЛ «ПиК», pik-mgsu@mail.ru
Московский государственный строительный университет,
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26
БАКАЛОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ, генеральный директор
ООО «Краснодартрансстрой»,
bakalov@transstroy.ru
354037, г. Сочи, ул. Красных партизан, 5
КОБЕЦКИЙ ДМИТРИЙ ИЛЬИЧ, генеральный директор
ОАО «Проекттрансстрой»,
pts@ptst.ru
129329, г. Москва, ул. Кольская, 2, корп. 6
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ «ПЕСКОНАСОС» НА ПРОЦЕССЫ КОНСОЛИДАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ В СЛАБЫХ ГРУНТАХ ОСНОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ИМЕРЕТИНСКОЙ НИЗМЕННОСТИ
Отражен способ решения задачи по ускорению процессов консолидации слабых грунтов основания, нагруженных насыпью инженерной защиты. Использование предлагаемой технологии позволяет ускорить процесс консолидации слабых водонасыщенных грунтов основания путем устройства свай-дрен, сокращающих путь фильтрации, и создания высоких (до 10 МПа) горизонтальных напряжений в грунтовом массиве. Приведено описание уникального эксперимента, заключающегося в использовании штампа большой площади. Показано, что технология «Песконасос» обеспечивает требуемые параметры по увеличению модуля деформации и сокращению сроков консолидации слабых грунтов.
Ключевые слова: грунты основания; стабилизация; скорость консолидации; песконасос; модуль деформации.
OLEG I. RUBTSOV, Head of Laboratory, pik-mgsu@mail.ru
Moscow State University of Civil Engineering, 26, Yaroslavskoe Road, 129337, Moscow, Russia ALEKSANDR Yu. BAKALOV, Director General, bakalov@transstroy.ru
© Рубцов О.И., Бакалов А.Ю., Кобецкий Д.И., 2014
OOO 'Krasnodartransstroi', 5, Krasnykh partizan Str., 354037, Sochi, Russia DMITRII I. KOBETSKII, Director General, pts@ptst.ru
OAO 'Proekttransstroi',
2/6, Kol'skaya Str., 129329, Moscow, Russia
SAND PUMP TECHNOLOGY IN CONSOLIDATION AND STABILIZATION OF SOFT SOILS IN THE IMERETIN VALLEY
The paper presents a problem of the soft soil consolidation enhancement under the embankment load. The sand pump technology suggested herein, allows enhancing the process of consolidation of water-deposited soils due to installation of drain piles which shorten the filtration path and induce high (up to 10 MPa) horizontal stresses in soil mass. The unique plate test described in this paper, shows that the sand pump technology provides all parameters responsible for the increase in Young's modulus and soil consolidation enhancement.
Keywords: soil; stabilization; consolidation rate; sand pump; Young's modulus.
Научно-исследовательской и проектно-производственной лабораторией «Проектирование и конструирование» (НИиППЛ «ПиК») МГСУ был выполнен проект «Консолидация и стабилизация грунтов основания» квартала «С» Имеретинской набережной г. Сочи. Необходимость разработки проекта вызвана масштабными строительными работами, проводимыми в сложных инженерно-геологических условиях, при ограниченных сроках.
На рассматриваемой территории широко развиты опасные геологические процессы, в частности в глинистых отложениях палеогена и неогена, а также в перекрывающем четвертичном чехле развиты оползневые, эрозионные процессы, затопление и подтопление.
Речные и балочные склоны на 40-60 % поражены оползнями. Практически все русла рек и балок испытывают воздействие эрозионных процессов. Вся Имеретинская низменность и приустьевые части рек Псоу и Мзым-та подвержены процессам подтопления, а часть этого района периодически затапливается.
В структурно-тектоническом отношении территория Нижнеимеретинской низменности входит в зону Адлерской (Сочи-Адлерской) депрессии, которая подразделяется на Сочинскую и Имеретинскую структурно-тектонические ступени. Депрессия является типичным раннеорогенным прогибом, выполненным песчано-глинистыми аналогами майкопской серии и на позднеорогенной стадии, в основном, втянутым в поднятие. Южная ее часть продолжала прогибаться и в начале позднеорогенной стадии.
На основании данных бурения и лабораторных исследований грунтов выделено 16 инженерно-геологических элементов грунтового массива (ИГЭ). Расчетные характеристики грунтов площадки представлены в таблице. Фрагмент инженерно-геологического разреза приведен на рис. 1. Схема размещения штампа в плане представлена на рис. 2. Схема устройства штампа с расположением мест установки марок приведена на рис. 3.
Таблица расчетных характеристик грунтов при доверительной вероятности а = 0,95
Номер инженерно-геологического элемента Наименование грунта Природная влажность IV, % £ £ Показатель текучести к Плотность грунта р, г/см3 Плотность сухого грунта Ра см3 Коэффициент пористости, е Угол внутреннего трения Ф, град Сцепление с, кПа Модуль деформации Е, мПа Расчетное сопротивление Д0, к Па
Зт Суглинок текучий, с примесью органических веществ 41,0 35,8 24,1 11,7 >1 1,81 1.25 1,10 8 15 4 80
6 Песок гравелистый, средней плотности, насыщенный водой 14,3 - - - - 2,00 1,57 0,59 35 1 40 500
10т Глина текучая, текучепластич-ная, с примесью органических веществ 70,13 66,1 34,3 31,8 >1 1,58 0,59 1,94 7 9 2,5 50
11в Глина текучая, текуче-пластичная, заторфованная 88,4 85,1 42,2 42,9 >1 1,48 0,80 2,45 8 8 1,2 50
14 Гравийный грунт, насыщенный водой 11,1 - - - - 2,18 1,98 0,35 36 1 50 500
Рис. 1. Фрагмент инженерно-геологического разреза
Зона слабых грунтов с модулем деформации Е < 5 МПа (суглинок текучий с примесью органических веществ) Зона слабых грунтов с модулем деформации Е < 2,5 МПа (глина текучая, мягкопластичная, с примесью орагнических / затор фован
Номер а
Место размещения о
Рис. 2. Схема размещения штампа
5250
3063
V
V
0
о о
6
V
V
сваи-дрен
Места установки анкеров с высотными марками
Рис. 3. Схема устройства штампа с расположением мест установки марок
Работы проводились по «Программе проведения штамповых испытаний на опытном участке квартала "С" инженерной защиты Имеретинской низменности», согласованной заказчиком ГК «Олимпстрой», генеральным проектировщиком ОАО «Проекттранстрой» и генеральным подрядчиком ООО «КраснодарТрансстрой».
Использование штампа, не предусмотренного ГОСТ 20276-99 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости», не позволило нам руководствоваться в проведении испытаний только положениями стандарта. В связи с этим разработана методика обработки результатов штамповых испытаний, основанная как на положениях ГОСТ 20276-99, так и на методике, используемой при определении осадок фундаментов больших размеров на однородных основаниях, изложенной в работе [3].
При проведении штамповых испытаний, в соответствии с указанной методикой, нагрузка прикладывалась поэтапно, ступенями АР = 26,4 т, в соответствии с п. 5.4.1. ГОСТ 20276-99 до достижения максимального проектного значения, равного 132 т и соответствующего среднему значению контактного напряжения по подошве штампа р = 4,2 т/м2, что корресподируется с напряжениями от насыпи инженерной защиты. Каждая ступень нагрузки выдерживалась до условной стабилизации деформации грунта.
В соответствии с данными геодезических наблюдений за штампом на опытном участке, построен график его осадок от времени, представленный на рис. 4.
Даты иэмеренийосацок штампа
22.01.2011 27.012011 01.02.2011 06.02.2011 11.02.201]
о.о
-1,0 |\
-2,0
-8,0
Рис. 4. Осадки штампа на опытном участке от времени
На основании полученных данных по осадке штампа можно принять время консолидации грунта основания от экспериментальной нагрузки ^ = 14 дн. В период между 05.02.11 и 07.02.11 наблюдается появление нехарактерных деформаций штампа, которые носят локальный, во временной области, характер и не получают развития в дальнейшем, в частности в период с 07.02.11 по 10.02.11. Данное явление совпадает по времени с прошедшими в этой местности ливневыми дождями, что однозначно позволяет интерпрети-
ровать его как следствие плоского смыва и механической суффозии, произошедших из-за близкого расположения дренажных канав. В связи с этим данные измерений от 07.02.11 и позднейшие некорректны для расчета модуля деформации основания, но подтверждают консолидацию основания от экспериментальной нагрузки.
В соответствии с заданием на разработку проектного решения по «усилению» слабых грунтов основания, должно быть достигнуто состояние указанных грунтов, характеризуемое значением модуля деформации Е не менее 5,0 МПа в интервале сжимающих напряжений, соответствующих нагрузке от инженерной защиты, т. е. 5-7 тс/м2.
Вторым определяющим условием проектного решения по «усилению» слабых грунтов основания является время консолидации. Степень консолидации 0,85 должна быть реализована за 6 месяцев, считая от момента завершения работ по упрочнению грунта.
При ограничениях, накладываемых временным фактором и инженерно-геологическими условиями площадки, было принято решение об использовании технологии «Песконасос» для закрепления слабых грунтов основания. Технология «Песконасос» представлена в двух ипостасях. Первая ипостась -иглопесконасос, вторая - роторный песконасос. Подробно технологическая цепочка работы песконасоса описана в работах [1, 2]. Некоторые аспекты решения поставленной задачи приведены в работе [4].
На первом этапе была осуществлена установка рабочего органа игло-песконасоса, представляющего собой металлическую трубу с коническим оголовком, в вертикальное положение. Конструкция оголовка допускает возможность раскрытия образующих его лепестков. На этом же этапе в трубу монтируется песконасос с эластичным рабочим органом. На втором этапе осуществляется погружение рабочего органа на проектную глубину посредством задавливания с использованием вибропогружателя. Труба и огловок не допускают попадания частиц грунта во внутреннюю полость. На третьем этапе в трубу загружается втрамбовываемый материал. В данном случае использован щебень фракции 5-10 мм. На четвертом этапе осуществляется подъем трубы с раскрытыми лепестками до заданного горизонта. Песконасос с упругим рабочим органом и щебень остаются в грунтовом массиве. На пятом этапе осуществляется досыпка щебня в образовавшуюся полость объемом, равным объему материала извлекаемой части трубы. Этап 6, по сути, является повторением этапов 4 и 5 с подъемом на более высокие горизонты вплоть до полного извлечения трубы из грунтового массива. На этом работа иглопесконасоса заканчивается.
Второе действие технологической схемы предусматривает работу пес-конасоса с эластичным рабочим органом и также состоит из нескольких этапов. На этапе 7 происходит включение рабочего органа и осуществляется процесс вдалбливания щебня в окружающий грунтовый массив. На этапе 8 осуществляется поднятие рабочего органа на новый, более высокий горизонт. На девятом этапе осуществляется извлечение рабочего органа из упругой трубы и заполнение ее щебнем. Технологическая схема, описание производства
работ и некоторые результаты исследований песконасоса с различными рабочими органами даны в работах [5, 6, 7].
Помимо технологии «Песконасос» в настоящее время существует большое количество различного вида технологий по укреплению грунтов оснований. В частности, это химическое закрепление грунтов; цементация в режиме пропитки и в режиме гидроразрыва; цементация по струйной и буро-смесительной технологии, а также по технологии «Геомассив». Возможны применение свайных технологий или армирование грунтов, а также поверхностное закрепление Ресайлинг или Яоа^еш.
Тем не менее, отсутствует опыт их применения в слабых грунтах основания, аналогичных описанным выше. Кроме того, существующие технологии не решают задачи по консолидации грунтов к заданному сроку. В связи с этим было принято решение о выполнении работ на экспериментальных участках с последующим проведением натурных испытаний штампом.
Целью штамповых испытаний являлось определение степени закрепления грунтов основания, выражающейся в увеличении модуля деформации, а также определение времени консолидации грунтового массива.
В результате обработки данных штамповых испытаний была получена интерполяционная прямая, характеризующая грунт основания в интервале прикладываемых нагрузок, по которой были определены:
- общий модуль деформации усиленных грунтов Еобщ;
- модуль деформации межсвайного пространства Ем.п.
Общий модуль деформации грунта основания рассчитывался на основании методики, изложенной в работе [3], по формуле
Е Ро •Ь (1 2)
общ _ 5 ,
где ю - коэффициент, зависящий от формы площади и жесткости штампа, принимаемый в данном случае равным 1,18; р0 - напряжение по подошве штампа, соответствующее 4,2 т/м2 для последней ступени загружения; Ь -ширина штампа, принимаемая 525 см; длина 600 см; V - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,3; 5 - осадка штампа, принимаемая по интерполяционной прямой.
Модуль деформации межсвайного пространства рассчитывался из предположения
Е • Б - 5 • Е • Б
Е _ общ шт св св
м.п О ^ О '
Бшт - 5 • Бсв
где Бшт - площадь поверхности штампа; Бсв - площадь поперечного сечения сваи; Есв - модуль деформации сваи, который принимался равным 40 МПа для щебеночных свай-дрен.
Результаты штамповых испытаний и их обработка показали, что модуль деформации усиленных грунтов Еобщ = 6,9 МПа, при этом модуль деформации межсвайного пространства достиг значения 5,3 МПа, что обеспечило минимальные значения требуемого модуля деформации - 5 МПа и подтвердило
гипотезу об эффективности примененной технологии для задач консолидации слабых грунтов.
Время консолидации составило 14 сут для глубины сжимаемой толщи 2,5 м. В соответствии с результатами эксперимента время консолидации можно оценить по зависимости, приведенной на рис. 5.
Мощность слабых грунтов, м
Рис. 5. Время консолидации
Для различной мощности слабых грунтов оно составляет от 14 сут при мощности 2,5 м до 95 сут при мощности 6,5 м. Интервал мощности слабых грунтов 2,5-6,5 м характерен для квартала «С» Имеретинской низменности.
Библиографический список
1. Технология устройства песковпресованных свай / О.И. Рубцов, А.Л. Крыжановский, М.С. Савин, Н.С. Прохорова // Вестник МГСУ. - 2010. - № 4. - С. 311-314.
2. Технология «Песконасос», область практического использования в решении задач фун-даментостроения / О.И. Рубцов, А.Л. Крыжановский, Е.К. Конюхова, Д.А. Кассин, М.С. Савин // Вестник МГСУ. - 2010. - № 4. - С. 305-309.
3. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский, З.Г. Тер-Мартиросян, С.Н. Чернышев. - М. : АСВ, 1994. - 527 с.
4. Рубцов, О.И. Консолидация слабых грунтов основания насыпи инженерной защиты Имеретинской низменности при воздействии технологии «песконасос» / О.И. Рубцов, А.Ю. Бакалов, Д.И. Кобецкий // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - № 6. -С. 359-362.
5. Пат. № 2473741 Российская Федерация. Способ укрепления грунта и устройство для его осуществления / О.И. Рубцов, И.В. Рубцов, А.А. Ступаков ; 05.05.2011.
6. Пат. № 2465402 Российская Федерация. Установка и способ для уплотнения грунта / О.И. Рубцов, И.В. Рубцов, А.П. Крыжановский ; приоритет от 29.12.2010.
7. Рубцов, О.И. Экспериментальные исследования зон влияния роторного песконасоса / О.И. Рубцов, М.В. Срывкова // Механизация строительства. - 2012. - № 12(822). -С. 39-42.
References
1. Rubtsov O.I., Kryzhanovskii A.L., Savin M.S., Prokhorova N.S. Tekhnologiya ustroistva peskovpresovannykh svai [Shrink-in-sand pile technology]. Scientific and Technical Journal on Construction and Architecture, 2010. No. 4. Pp. 311-314. (rus)
2. Rubtsov O.I., Kryzhanovskii A.L., Konyukhova E.K., Kassin D.A., Savin M.S. Tekhnologiya 'Peskonasos', oblast' prakticheskogo ispol'zovaniya v reshenii zadach fundament [Sand pump technology used in foundation works]. Scientific and Technical Journal on Construction and Architecture, 2010. No. 4. Pp. 305-309 (rus)
3. Ukhov S.B., Semenov V.V., Znamenskii V.V., Ter-Martirosyan Z.G., Chernyshev S.N. Mek-hanika gruntov, osnovaniya i fundamenty [Soil mechanics, bases and foundations]. Moscow : ASV Publ., 1994. 527 p. (rus)
4. Rubtsov O.I., Bakalov A.Yu., Kobetskii D.I. Konsolidatsiya slabykh gruntov osnovaniya nasypi inzhenernoi zashchity Imeretinskoi nizmennosti pri vozdeistvii tekhnologii 'peskonasos' [Consolidation of soft soils using sand pump technology]. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Po-volzh'ya, 2012. No. 6. Pp. 359-362. (rus)
5. RubtsovI.V., StupakovA.A. Sposob ukrepleniya grunta i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [A method and device for soil stabilization].Pat. Rus. Fed. N 2473741. Publ. 05.05.2011.
6. Rubtsov O.I., Rubtsov I.V., Kryzhanovskii A.L. Ustanovka i sposob dlya uplotneniya grunta [A method and device for soil compaction]. Pat. Rus. Fed. N 2465402. Publ. 29.12.2010.
7. Rubtsov O.I., Sryvkova M.V. Eksperimental'nye issledovaniya zon vliyaniya rotornogo peskonasosa [Experimental studies of influence areas of rotary sand pump]. Mechanization in Construction, 2012. No. 12. Pp. 39-42. (rus)
