CC BY
54
УДК 69.003.13
В.В. Турчин
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Геотехника и строительные материалы», ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова»
Т.Н. Иванова
магистрант,
ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова»
Ю.В. Гмызов
директор,
ООО «ЭЛЕКТРОИНДУСТРИЯ», г. Ижевск
А.М. Останин
главный инженер, ООО «ЭЛЕКТРОИНДУСТРИЯ», г. Ижевск
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЛЁССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ШКОЛЫ В Г. МАЛГОБЕК РЕСПУБЛИКИ ИНГУШЕТИИ
Аннотация. В статье представлен анализ результатов обследования массивов грунта в основании свайного фундамента «Общеобразовательной школы № 5 в г. Малгобек», республики Ингушетия. Рассмотрены варианты закрепления просадочных грунтов основания с целью повышения сейсмостойкости здания. Представлен расчет расхода инъецируемых материалов. Проведено экономическое сравнение возможно применимых способов закрепления грунта для экономической эффективности при реконструкции школы.
Ключевые слова: однорастворная, газовая силикатизация, районы сейсмичности, лёссовые грунты, эффективность, экономичность.
V.V. Turchin, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
T.N. Ivanova, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
Yu.V. Gmyzov, JSC ELEKTROINDUSTRIYA, Izhevsk
A.M. Ostanin, JSC ELEKTROINDUSTRIYA, Izhevsk
ECONOMIC EFFICIENCY OF CHEMICAL FIXING OF LOESSIAL COLLAPSIBLE SOIL AT
RECONSTRUCTION OF SCHOOL IN MALGOBEK, THE REPUBLICS OF INGUSHETIA
Abstract. The analysis of results of inspection of massifs of soil in the basis of the pile base "Comprehensive school №. 5 in Malgobek", the Republics of Ingushetia is presented in article. Options of fixing of collapsible soil of the basis for the purpose of increase of seismic stability of the building are considered. Calculation of a consumption of the injected materials is presented. Economic comparison of perhaps applicable ways of fixing of soil for economic efficiency at reconstruction of school is carried out.
Keywords: monobath silication, gas silicification, regions of seismicity, loess, efficiency, profitability.
Строительство на просадочных лёссовых грунтах и в других особых условиях повседневно выдвигает перед проектировщиками необходимость квалифицированного решения обеспечения устойчивости и надежности зданий, сооружений при высоких технико-экономических показателях, а перед строителями - выполнения этих решений с высоким качеством и при минимальных затратах. Одним из зданий, пострадавших в результате замачивания, а также частых землетрясений в предгорных районах Большого Кавказа, является здание «Общеобразовательной школы № 5 в г. Малгобек», республики Ингушетия.
Строительство новой части г. Малгобек началось в 1960 году, часть застраиваемой территории была заболочена. Заболоченные территории осушались, подтверждение тому является наличие дренажного канала, проложенного в пониженной части города. Школа расположена в пределах Алханчуртской долины, сложенной сплошным покровом лессовидных просадочных пород, мощность которых достигает нескольких десятков метров. После проведения инженерно-геологических изысканий было выявлено, что грунтам характерна слоистая структура, при-
чем направление слоистости совпадает с наклоном дневной поверхности, наблюдается тонкая вертикальная трещиноватость.
Вследствие обводнения грунтов, залегающих в пределах сжимаемой толщи основания фундамента и околосвайном пространстве, произошло формирование водоносного горизонта, в результате чего несущая способность грунтов основания резко уменьшилась. Произошла неравномерная осадка надземных конструкций здания школы. Процесс просадки здания не завершен и может иметь катастрофические последствия. Для укрепления грунтов оснований и увеличения сейсмостойкости строительных конструкций здания следует выполнить усиление грунтов оснований и фундаментов [1]. Важно отметить, что сейсмичность участка, на котором расположено реконструируемое здание, согласно [2], составляет 9 баллов.
В связи с вышесказанным, для избежания катастрофических последствий необходимо провести мероприятия по усилению просадочных лёссовых грунтов. Стадия планирования и подготовки финансово-экономического обоснования - это важнейший элемент процесса строительства. Тщательный анализ и планирование необходимы для успешной разработки и реализации концепции будущего объекта в дальнейшем.
Увеличить сейсмостойкость строительных конструкций зданий, расположенных в районе с просадочными лессовыми грунтами, рекомендуется одним из двух предложенных вариантов усиления грунтов оснований и фундаментов. Оба варианта включают в себя две стадии выполнения работ: предварительную и основную. На предварительном этапе, с целью исключения отрицательного (негативного) трения лессовых просадочных грунтов при их замачивании по боковой поверхности свай [3], возможно применить способ однорастворной силикатизации грунтов двухкомпонентным раствором верхней просадочной толщи лессовых грунтов и способ газовой силикатизации, который эффективно применять в грунтах с повышенной влажностью. Предварительная активация грунта углекислым газом оказывает существенное влияние на повышение прочности закрепления [4]. Оба способа являются эффективными на предварительной стадии закрепления грунта.
Наша задача состоит в том, чтобы рассчитать экономическую эффективность предложенных вариантов. После чего, с целью повышения несущей способности свайных фундаментов, применим способ высоконапорной инъекции цементного раствора в нижней зоне и под концом сваи, залегающих в этой зоне суглинков и глин, подверженных замачиванию. В данном случае, для снижения в дальнейшем риска замачивания грунтов по периметру укрепленного массива, рекомендуется создать противофильтрационную завесу.
Для определения экономической эффективности способа однорастворной двухкомпо-нентной или газовой силикатизации следует сравнить расход материалов на одну скважину. Согласно [5], производим расчет объёма закаченных растворов. Информацию о геологическом строении берём из [1]. Объем закрепляемого массива одной скважиной определяем как сумму объемов массивов грунта в пределах разных ИГЭ. Закрепление грунта вокруг скважины происходит в виде образования техногенных массивов цилиндрической формы. Объем этих цилиндров из радиуса распространения инъецируемого раствора при силикатизации раствора - 1 м, при высоконапорной инъекции цементного раствора - 0.8 м, при газовой силикатизации - 0,6 м. Объем закрепленного грунта от единичной инъекции в одну заходку определяется по формуле (1) для каждого слоя высотой Результаты расчетов приведены в таблицах 1, 2, 3.
Ягр =Я-Г2 • , (1)
Таблица 1 - Объем закрепленного грунта при силикатизации
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
33,6 17,27 3,77
Таблица 2 - Объем закрепленного грунта при высоконапорной инъекции
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
21,5 10,05 2,4
Таблица 3 - Объем закрепленного грунта при газовой силикатизации
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
12,1 6,22 1,36
При определении свободного объема пор следует учитывать водонасыщение грунта, то есть степень влажности или степень заполнения пор водой, формула (2). Результаты расчетов приведены в таблице 4.
= . (2) е Х
Таблица 4 - Влажность и степень заполнения пор водой
вг Бг, % п=е/1+е п1
ИГЭ-2 0,56 56 0,56 0,25
ИГЭ-3 0,77 77 0,67 0,15
ИГЭ-4 0,89 89 0,69 0,076
Объем раствора нагнетаемого в скважину находим по формуле (3):
Яраст = Ягр П ' ^ (3)
где ягр - объем закрепляемого грунта, м3; п - расчетная пористость грунта в долях единицы; а
- коэффициент заполнения пор, равный при силикатизации просадочных лессовых грунтов 0,7, при высоконапорной инъекции - 0,5, при газовой силикатизации просадочных лессовых грунтов
- 0,8. Результаты расчетов приведены в таблицах 5, 6, 7.
Таблица 5 - Объем раствора при силикатизации
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
5,88 1,81 0,20
17,89м3
Таблица 6 - Объем раствора при высоконапорной инъекции
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
2,69 0,79 0,09
13,57м3
Таблица 7 - Объем раствора при газовой силикатизации
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
2,42 0,75 0,08
13,25м3
Для газовой силикатизации количество углекислого газа (кг), необходимое для предварительной активизации грунтов, рассчитывается по формуле (4):
Аг = Яр ■ п ■ с ■ Гг, (4)
а для отверждения раствора в порах грунта, кг - по формуле (5):
Бг = ягр п • Ь • Ге, (5)
где дгр - объем закрепляемого грунта, м3; п - пористость грунта в долях единицы; с - коэффициент, равный 2,5; ге - плотность углекислого газа, кг/м 3; Ь - коэффициент для просадочных грунтов 4. Результаты расчетов приведены в таблицах 8, 9.
Таблица 8 - Объем газа для предварительной активации грунтов
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
14,97 4,62 0,51
120,10м3
Таблица 9 - Объем газа для отверждения раствора в порах грунта
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
23,96 7,39 0,82
132,17м3
Расход материалов на закрепление грунта под концом сваи и стабилизацию грунта вокруг сваи рассчитывается аналогичным образом. Расход раствора на силикатизацию останется прежним Ор=7,89м . Расход раствора на высоконапорную инъекцию рассчитывается на среднюю величину слоев грунта (ИГЭ), подвергаемого инъекции. В средней части при инъекции на мощность пласта 5.7 м по слоям распределение имеет следующую картину: ИГЭ 2 - 1 м, ИГЭ 3 - 4 м, ИГЭ 4 - 0.7 м. Результаты расчетов приведены в таблицах 10, 11.
Таблица 10 - Объем закрепленного грунта на высоконапорную инъекцию в расчете на среднюю величину
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
2,01 8,04 1,40
Таблица 11 - Объем раствора при высоконапорной инъекции в расчете
на среднюю величину
ИГЭ-2, м3 ИГЭ-3, м3 ИГЭ-4, м3
0,25 0,60 0,05
10,91 м3
Все растворы будут иметь непроизводственные потери на заполнение объема скважины, червоточин, кротовин, трещин в грунте, поэтому при расчете расхода материала применяется коэффициент 1,15.
После проведения всех расчетов, используемых инъецируемых материалов, проводим экономическое сравнение двух выше описанных вариантов закрепления просадочных лёссовых грунтов. Результаты расчетов отображены в таблице [12].
Таблица 12 - Таблица сметной стоимости вариантов закрепления грунтов из расчета на 1 скважину, тыс. руб.
Вариант 1 Вариант 2
Сметная стоимость строительства из расчета на 1 скважину 309 188 320 152
Расчеты показали, что наиболее экономичным является способ однорастворной силикатизации грунтов двухкомпонентным раствором верхней просадочной толщи лессовых грунтов в сочетании со способом высоконапорной инъекции цементного раствора в нижней зоне и под
концом сваи. Стоимость выбранных методов из расчета на 1 скважину составляет 309 188 тыс. руб. Стоит отметить, что количество скважин было рассчитано для метода высоконапорной инъекции.
В результате выполненных работ было достигнуто увеличение несущей способности свайных фундаментов, а под подошвой фундаментов был создан геотехногенный массив закрепленного грунта с повышенным расчетным сопротивлением грунта под нижним концом сваи, непрерывно связанный с геотехногенным массивом, выполняющим также роль противофильт-рационного барьера.
Мероприятия по закреплению просадочных грунтов основания реконструируемой школы были выполнены с минимально возможными затратами. Результаты полученных и проанализированных материалов могут быть использованы для закрепления просадочных лёссовых грунтов в районе г. Малгобек Республики Ингушетия.
Список литература:
1. ООО «ЭлектроИндустрия». Технический отчет. Оценка технического состояния несущих и ограждающих конструкций здания Государственного казенного образовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа № 5 г. Малгобек» Республики Ингушетия.
2. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах СНиП 11-7-81* (актуализированного СНиП 11-7-81* «Строительство в сейсмических районах» (СП 14.13330.2011)).
3. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве к СНиП 3.02.01-83.
4. Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов. - М.: Стройиздат, 1980. - 119 с.
5. Пособие к СНиП 3.02.01-83. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве, 21.05.2015. Раздел 4.
