CC BY
56
УДК 624:155 П.С. Ашихмин
АРМИРОВАНИЕ РЫХЛЫХ ПОРОД ИНЪЕЦИРОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ СВАИ
Представлены результаты исследования работы сваи-инъектора в песчаных грунтах при закреплении околосвайного геомассива. Приведены оборудование и методика, использованные при проведении полевого натурного эксперимента. Рассмотрены вопросы области применения свай данной конструкции.
Ключевые слова: массив грунт, площадь опирания сваи, свая-инъектор, массив армированных пород.
~П связи с бурно развивающей--*“^ся строительной отраслью нередко приходится возводить здания и сооружения на строительных площадках со сложными инженерногеологическими условиями. В частности, на пойменных участках, склонах долин рек, территориях, сложенных насыпными и техногенными грунтами. В геологическом строении пойменных участков всегда принимают участие песчаные грунты аллювиального происхождения. В качестве фундаментов для возводимых многоэтажных зданий и сооружений на таких неблагоприятных участках чаще всего применяют длинные (более 6 м) сваи.
Для уменьшения экономических затрат применяют различные методы повышения несущей способности свай, связанные как с рационализацией конструкции свай (увеличение площади опирания, сил трения по боковой поверхности и пр.), так и с улучшением свойств околосвайного геомассива (цементация, силикатизация и пр.). Причем закрепленный массив грунта должен работать совместно с конструкцией сваи.
Эти методы позволяют уменьшить длину сваи, их количество при увеличении ее несущей способности.
Недостатками свай с увеличением площади опирания посредством различных механических приспособлений являются сложность конструкции, сложность операций, предшествующих раскрытию уширивающего наконечника.
В связи с этим актуальным вопросом является разработка новых типов конструкций фундаментов, которые универсально решали бы несколько проблем. Например, увеличивали несущую способность в контакте с армированным геомассивом.
На кафедре Городского кадастра и инженерных изысканий БГТУ им. В.Г. Шухова разработана конструкция сваи-инъектора, позволяющего не только сохранить, но и повысить несущую способность висячей сваи при уменьшении ее длины за счет увеличения площади опирания и вовлечения в работу око-лосвайного геомассива, закрепленного твердеющим раствором.
Разработанная свая-инъектор позволяет закачивать твердеющий раствор че-
рез тело сваи, формируя вокруг конструкции массив армированных пород прочно адгезионно связанного с телом сваи.
Для исследования работы сваи-инъектора в условиях песчаных грунтов были проведены натурные эксперименты.
Для проведения натурных полевых экспериментов были подготовлены и спланированы две опытные площадки. В результате подготовительных работ были сняты верхние слои чернозема и суглинка. Испытания проводились на мелком, рыхлом песке средней степени водонасыщения. В геоморфологическом отношении площадки приурочены к третьей правобережной надпойменной террасе р. Везелка. Физико-механические характеристики грунтов опытных площадок № 1 и № 2 представлены в табл. 1. Так как на формирование армированного геомассива и, соответственно, на несущую способность сваи-инъектора в немалой степени влияет коэффициент фильтрации
грунта, то на опытных площадках были проведены работы по определению этой характеристики песка методом налива. Коэффициент фильтрации на площадке № 1 составил 22 м/сут, на площадке № 2—10 м/сут.
В качестве свай использовались металлические трубы сечением 50х50 мм длиной 0,5 и 0,75 м. Размер сваи подбирался из условия геометрического подобия и соответствовал натурным железобетонным сваям сечением 300х300 мм длиной 3 и 4,5 м. Для имитации бетонной поверхности сваи покрывались смесью мелкозернистого песка и цемента на клее БФ. Внутри труб крепились медные трубки диаметром 6 мм, через которые производилось нагнетание раствора в грунт. В трубках были прорезаны щелевидные отверстия для выхода раствора. В металлических трубах также были прорезаны отверстия для выхода раствора в 5 см от нижнего и в 10 см от верхнего конца.
Таблица 1
Физико-механические характеристики грунтов опытных площадок
Номер ИГЭ, его описание Мощн слоя, м Удельн вес г, кН/м3 Прир влаж W Коэф порист е Степень влажн. Sr Удельное сцепление с, кПа Угол внутр. трения ф, град Модуль деформ. Е, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Площадка № 1
1 — чернозем 0,5—0,6 15,2
2 — суглинок полутверд. ,5 7 сч 17,56 0,13 0,72 0,49 25 22 20
3 — песок мелкий 9,5—10 16,68 0,20 0,87 0,61 1 28 16
4 — мел писчий 3,5—4 19,62 0,22 0,67 0,9 15 15 7
Площадка № 2
1 — чернозем 0,5—0,7 15,7
2 — суглинок полутверд. 1—1,5 17,85 0,15 0,72 0,56 25 22 20
3 — песок мел- 9—9,5 17,2 0,20 0,82 0,65 1 28 16
кий
4 — мел писчий 3—3,5 21,58 0,25 0,56 1,22 19 15 8
Погружение свай и статические испытания проводились при помощи экспериментальной установки, изображенной на рис. 1.
Грузовая рама выполнена из швеллера № 10 и уголка № 5. В качестве упорного элемента использовался швеллер № 10 и арматурные стержни диаметром 16 мм.
Для измерения вертикальной осадки испытываемых свай использовались индикаторы часового типа ИЧ-10 1 класса точности с ценой деления 0,01 мм, закрепленные на кронштейнах. Сам кронштейн устанавливался на анкер, который представлял собой арматурный стержень диаметром 6 мм, забитый в землю.
Погружение свай производилось вдавливанием в предварительно пробуренные лидерные скважины. Для исключения взаимного влияния расстояние между соседними сваями принималось не менее 5d.
Нагружение создавалось гидравлическим домкратом ступенями. Каждая следующая ступень нагрузки
прикладывалась после условной стабилизации осадки сваи от предыдущей ступени. За условную стабилизацию принималось перемещение, равное 0,01 мм за последние 30 минут наблюдений. За значение несущей способности элемента (сваи) принималась нагрузка, вызывающая осадку равную 10 мм. Для сравнения вблизи были вдавлены призматические сваи одинаковых размеров без инъектиро-вания.
После завершения статических испытаний производилась выемка сваи для определения радиуса армированного геомассива и определения физико-механических характеристик закрепленного грунта.
Нагнетание твердеющего раствора проводилось под давлением 4 атм. В качестве рабочего использовался раствор на основе карбамидной смолы марки КФ-МТ. В качестве отвердителя использовалась соляная кислота концентрацией 6%. Составные части раствора представлены в табл. 2.
Рис. 1. Установка для испытания свай статической нагрузкой
Таблица 2
Составные части закрепляющего раствора
Состав раствора Плотность, г/см3 Соотношение частей Разбавление до плотности, г/см3
Карбамидная смола КФ-МТ 1,26 1,0 1,10
Соляная кислота 1,18 0,2 1,023 (6%)
Вода 1,0 0,5
Испытания проводились через 7 суток после нагнетания раствора. За это время происходил гарантированный процесс набора прочности закрепленным грунтом.
В результате статических испытаний получены графики зависимости «осадка-нагрузка» для свай-инъекторов и традиционных призматических свай, в зависимости от грунтовых условий, объема раствора, закачиваемого через каждое отверстие, а также от длины сваи, приведенные на рис. 2—5.
Как видно из графиков увеличение несущей способности составило
220%—240% на площадке № 1 и 150%—175% на площадке № 2. Это обусловлено тем, что на площадке № 1 коэффициент фильтрации грунта больше, чем на площадке № 2, что привело к образованию массива армированного грунта большего радиуса. Увеличенный радиус массива закрепленного грунта привел к увеличению лобового сопротивления сваи, что обеспечило увеличение несущей способности. В табл. 3 приведены данные исследований прочностных характеристик закрепленного грунта, а также радиус закрепления геомассива вокруг сваи.
Таблица 3
Результаты исследований закрепленного грунта
№ п.п. Экспери- мент Кол-во закачиваем. раствора, мл Коэфф. фильтрац., м/сут Давление нагнетания, атм Радиус закреплен., см Прочн. на сжатие, МПа
1 полевой 100 10 4 4,2 6
2 200 5,5 6
3 100 22 9,3 4
4 200 10,2 4
L = 0,5м
Р, кН
1-свая без усиления; 2-с вая-инъектор с нагнетанием 100 мл раствора; 3-свая-инъектор с нагнетанием 200 мл раствора
Рис. 2. Результаты полевых статических испытаний сваи длиной 0,5 м на площадке № 1 (Кф = 22 м/сут)
0,9
1,8
2,7
3,6
4,5
5,4
Р, кН
6,3
Рис. 3. Результаты полевых статических испытаний сваи длиной 0,75 м на площадке № 1 (Кф=22 м/сут)
Ь=0,5м
Р, кН
0,9
1,8
2,7
3,6
4,5
Рис. 4. Результаты полевых статических испытаний сваи длиной 0,5 м на площадке № 2 (Кф=10 м/сут)
Ниже представлена свая-инъек-тор после нагнетания твердеющего раствора (рис.6).
Так как несущая способность висячей сваи складывается из сопротивления вызванного силами трения по боковой поверхности конструкции и опорной площади сваи, то
немаловажным фактором, влияющим на несущую способность, является адгезионная прочность армированного грунта. Исходя из условий работы висячей сваи, испытания адгезионной прочности проводились методом сдвига.
0
0
Р, кН
0 0,9 1,8 2,7 3,6 4,5
Рис. 5. Результаты полевых статических испытаний сваи длиной 0,75 м на площадке № 2 (Кф=10 м/.сут)
Рис. 6. Свая-инъектор после нагнетания твердеющего раствора
Испытания проводились на разрывной машине МИП-100. Испытывались железобетонные и металлические стержни, покрытые слоем смеси песка с цементом на клее БФ, находящиеся в массиве закрепленного грунта.
Сдвиговая адгезионная прочность армированного грунта и стержней составила, в среднем, 5 МПа.
Из проведенных исследований видно, что несмотря на сложные инженерно-геологические условия, возведение зданий и сооружений на пойменных участках и техногенных грунтах можно проводить, значительно
уменьшив затраты на свайные фундаменты за счет уменьшения длины свай, увеличения шага, даже увеличив при этом несущую способность. Кроме того, сваи такой конструкции можно применять в качестве мероприятий по увеличению устойчивости откоса, пробивая сваями призму сползания и армируя оползнеопасный массив твердеющим раствором. Однако, при проектировании работ такого рода необходимо тщательное исследование всех физико-механических характеристик грунта, гидрогеологическую обстанов-
ку конкретного участка, а также минеральный состав закрепляемого геомассива.
Наряду с закреплением грунта способом смолизации можно также использовать твердеющий раствор на основе силиката натрия, используя в качестве отвердителя кремнефтористоводородную кислоту с плотностью 1,1—1,08 г/см3. Закрепление таким способом также дает достаточно высо-
1. Ржаницын Б.А. Химическое упрочнение грунтов в строительстве. — М.: Стройи-здат, 1986 — 179 с.
2. Крутов В.И. Основания и фундаменты на насыпных грунтах. — М.: Стройиздат, 1988 — 224 с.
3. Временные указания но укреплению обводненных песков химическим спосо-
кие значения прочности армированного геомассива (около 3 МПа).
При проведении работ по закреплению следует подбирать давление нагнетания таким образом, чтобы не происходило прорыва твердеющего раствора на поверхность. Давление нагнетания не должно превышать величины природного давления от собственного веса грунта.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
бом при проходке вертикальных стволов шахт. — Белгород.: ВИОГЕМ, 1974. — 38 с.
4. Лаухин Ю.А., Фатеев Н.Т., Карякин В.Ф. Способы и материалы для химического закрепления пород и упрочнения массива на горных предприятиях. — М.: Черметинформа-ция, 1986 — № 16 — 14 с.ЕШ
— Коротко об авторе
Ашихмин П.С. — Белгородский Государственный Технологический Университет им. В.Г. Шухова г. Белгород, pavdon1@rambler.ru.
