CC BY
56
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.131.23:624.138.22
ГЛУБИННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ЛЕССОВ ГРУНТОВЫМИ СВАЯМИ
© 2005 г. В.Г. Столяров
Лёссовые просадочные грунты занимают около 80 % территории Северного Кавказа, они имеют почти сплошное распространение в равнинной части и значительное присутствие в предгорных районах и на Ставропольском плато. На Северном Кавказе - в отличие от других регионов страны и ближнего зарубежья - широко распространены толщи 11-го типа по просадочности. Эти отложения имеют область питания («фабрику» лёссовой пыли [1]) - Прикаспийскую низменность. Ещё большие площади лёссов расположены в Китае; они примыкают к областям питания -пустыням Алашань, Ордос, имеют мощность, достигающую 409,3 м. Но для китайских лёссов характерно высокое содержание (25... 45 %) глинистой фракции, просадочная толща в среднем от 10 до 15 м, а максимальная (в провинции Шанси) - 30 м. В районе Будённовска лёссовая толща составляет 100 м, из которых более 50 м обладают просадочностью, а расчётная просадка от собственного веса, подтверждённая практикой строительства, достигает 2,0.2,5 м. Характерным в залегании лёссов Северного Кавказа (как и китайских) является их зональность. Зона пылева-тых песков и опесчаненных супесей проходит узкой субширотной полосой от песков Прикаспийской низменности до меридиана с. Левокумского. Западнее, до меридиана г. Благодарного следует зона мощных сильно просадочных лёссовых толщ Предкавказья, которая ещё западнее переходит в зону лёссовидных суглинков и глин. Во-вторых, для лёссовых толщ характерна цикличность напластований: слои лёсса чередуются с гумусированными погребёнными почвами более глинистого состава [1]. Для лёссов восточных районов характерен непромывной режим: влажность грунтовой толщи (за исключением верхних полутора-двух метров) не изменяется в периоды выпадения осадков; она постоянна и коррелируется с числом пластичности, увеличиваясь с ростом глинистости.
Строительство в таких районах потребовало применения и разработки новых эффективных способов глубинного уплотнения лёссовых толщ. При проса-дочной толще более 15 м наиболее эффективен гидровзрывной метод уплотнения, предложенный и впервые применённый И.М. Литвиновым в 1973 г. при строительстве газоперерабатывающего завода в окре-
стностях г. Грозного. Уже первое применение метода выявило его недостатки: не всегда удавалось извлечь стальную трубу (взрыв ВВ происходил в нижней теряемой части трубы), а поднимающиеся газы выталкивали на поверхность воду, которая уже не опускалась вниз, в уплотнённый грунт, и слой обводнённого грунта мощностью 2,5 м пришлось заменить гравием. В изобретении [2] предлагалось газы от взрыва отводить по трубам, которые - в отличие от метода И.М. Литвинова - предлагалось выполнять перфорированными. Более существенные изменения в метод внесены Б.Ф. Галаем - отказ от использования дорогостоящих труб; в 2001 г. были изданы рекомендации, а в 2004 г. пособие [3] по уплотнению просадочных лёссовых грунтов глубинными взрывами. Эта усовершенствованная технология гидровзрыва была применена для уплотнения просадочных толщ (до 25 м) на строительстве второй очереди военного городка для контрактников в г. Будённовске, что позволило уплотнить предварительно замоченные супеси основания до максимально возможной по ГОСТ 30419-96 плотности:
Р ^ тах = (1 - ^ ) / (1/ Р , + & / Р & ), (1)
где ри рш - плотность минеральных частиц и воды г/см3; Ш - влажность в долях единицы (д.е.); Уа - содержание воздуха в грунте максимальной плотности; оно равно: 0,065 в песках и супесях при 1р < 4 %; 0,035 в супесях при 1 > 4 % и суглинках при 1 р < 12 %; 0,045 в суглинках при 1 > 12 %.
Но гидровзрывной метод рекомендуется применять в лёссовых толщах II типа по просадочности, представленных пылеватыми песками, супесями и суглинками при 1 р < 13 % с плотностью скелета грунта р^ < 1,45 г/см3 и имеющих коэффициент фильтрации Кф > 0,2 м/сутки. Также должны выдерживаться безопасные расстояния до существующих зданий. Гораздо более гибкой является шнековая технология устройства грунтовых свай, которая позволяет производить глубинное уплотнение лёссовых супесей и суглинков I и II типа по просадочности. Способ был разработан в СКО ПНИИИС в 1988 г. Б.Ф. Галаем и к настоящему времени применён на 120 объектах Се-
верного Кавказа для глубинного уплотнения проса-дочных грунтов оснований, для устройства противо-фильтрационных завес и для усиления оснований и фундаментов [4-6]. Суть технологии: шнековым снарядом при его прямом вращении пробуривается скважина диаметром d, при обратном вращении снаряда в скважину подаётся рабочий материал (грунт, бетон) и при приложении вертикального давления формируется буронабивная свая диаметром Дсв, превосходящим диаметр скважины в 1,5...2,5 раза. Наличие наконечника шнековой колонны (в виде шнекового долота 1ДРШ-198 МС Щигровского завода), состоящего из двух лопастей, закреплённых под углом 5 ° относительно оси корпуса, способствует преобразованию механической энергии вращающегося шнека в радиальные напряжения и деформации грунтовой сваи и окружающего её грунта. При расширении сваи происходит уплотнение грунта в межсвайном пространстве, возникают радиальные (горизонтальные по направлению) технологические напряжения. Вопросы технологического проектирования рассмотрены в [5, 6]; далее остановимся на специфических вопросах, связанных с глубинным уплотнением грунтов грунтовыми сваями.
Анализ изменения плотности при глубинном уплотнении грунтов позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, изменение плотности имеет строго радиальный характер: плотность незначительно, но уменьшается даже в пределах самой грунтовой сваи с удалением от её центра, ещё более резкое уменьшение плотности наблюдается в межсвайном пространстве с удалением от поверхности грунтовой сваи. Вертикальное давление непосредственно под шнеком примерно 2,35 МПа, среднее давление в пределах грунтовой сваи - 0,62 МПа, с увеличением радиуса R уменьшается как вертикальное, так и радиальное (горизонтальное) давление от работы шнека и расширения грунтовой сваи. Степень уплотнения оценивается по величине Kcom= pd / pd max - коэффициента уплотнения, а величина pd max по (1) характеризует применяющуюся для уплотнения технику, режимы, методы и энергию уплотнения, которое рекомендуется производить при оптимальной влажности. В зависимости от ответственности объекта допускаются следующие диапазоны значений Kcom: 0,9.0,92; 0,92.0,95 и 0,95.0,98. Последний диапазон - для фундаментов зданий и тяжёлого технологического оборудования.
В г. Новочеркасске в основании ленточных фундаментов 5-этажного жилого дома размером 15x53,6 м (I тип по просадочности, сваи Дсв = 0,30. 0,36 м, Ьсв = 4. 5 м, 1250 свай) в центре сваи р d = 1,71 г/см
(Kcom = Pd / Pd max = 1, 055; W = 21,8 %), ближе к периферии сваи при R = 0,125 м, pd = 1,67 г/м3 (W = 19,7 %, Kcom = 1,032). По данным этого и ряда других объектов в Ростовской области с грунтами I и II типа определено, что в межсвайном пространстве существует цилиндр переуплотнённого грунта - Kcom > 1,0 с радиусом Rkl ~ 1,35 Дсв. Радиусы зон, где Kcom > > 0,98 - R0,98 ~ 1,5 Дсв; Kcom > 0,95 - R0,95 ~ 1,9 Дсв ;
Kcom > 0,92 - Ro,92 ~ 2,25 Дсв ; Kmm > 0,90 - R
: 2,5
Принимая среднее значение диаметра сваи (Дсв = 0,33 м), видим, что зона переуплотнённого грунта вокруг сваи АЯ = 0,28 м, посредине между сваями, на расстоянии 0,5 Ь = 0,45 м = 1,36 Дсв Ксот ~ 1,0, а в центре равностороннего треугольника, на расстоянии Я = 0,52 м = = 1,57 Дсв коэффициент уплотнения Ксот незначительно меньше 0,98.
Известно, что уплотнение маловлажных грунтов (Ж << Жр) более энергоёмко. Но В.Г. Галицкий [7] по поводу уплотнения таких грунтов ещё в 1966 г. отмечал: «В условиях производства доведение влажности до значений, близких к оптимальной, кропотливо и трудоёмко, так как связано с дозировкой воды, перемешиванием большого количества грунта и многократным контролем влажности. Поэтому проще увеличить энергию трамбования». Заметим, что отмеченное относится к грунту - материалу свай; ещё более проблематично получить оптимальную влажность грунта в естественном залегании. При глубинном уплотнении грунтов в Кременчуге [7] скважины для грунтовых свай пробивались станками ударно-канатного бурения, а образцы грунта отбирались в центре сваи и на расстояниях 15, 30 и 45 см от кромки тела сваи. При этом на одном объекте были грунты маловлажные (суглинок на глубине 2 м: 1р = 8,1 %, 1Ь = = - 0,54, Бг = 0,313) и с параметрами, близкими к рекомендуемым (суглинок на глубине 5,4.5,6 м: 1р = = 10,8 %, 1Ь = 0,01, Бг = 0,57). В центре сваи уплотнение зависело от податливости окружающего естественного грунта: на глубине 5,4 м суглинок был уплотнён до ра = 1,793 г/см3 (здесь и далее - средние значения характеристик), Бг = 0,999, Ксот = 1,033; а на глубине 2,0 м маловлажные природные суглинки оказывали большее сопротивление и грунт в свае был уплотнён до ра = 1,825 г/см3. В межсвайном пространстве указанные грунты уплотнялись по-разному: маловлажные суглинки, для которых по (1) pd тах = = 1,923 г/см3, на расстоянии 15 см от кромки тела сваи имели значения характеристик р^ = 1,81 г/см3, Бг =
= 0,72, Ктт = 0,941; на расстоянии 30 см - р^ = 1,72 г/см3,
Б, = 0,62, Ксот = 0,895; а на расстоянии 45 см - рй =
= 1,633 г/см3, Б, = 0,542, Ксот = 0,840. Суглинок на глубине 5,4 м, для которого pd тах = 1,736 г/см3, на расстоянии 15 см от кромки тела сваи имел значения характеристик р^ = 1,758 г/см , Бг = 0,936,
Ксот = 1,013; на расстоянии 30 см - ра = 1,774 г/см3, Б,
= 0,962, Ксот = 1,022; а на расстоянии 45 см - ра =
= 1,672 г/см3, Бг = 0,814.
По этим данным можно сделать следующие выводы. Маловлажный естественный грунт, имевший огромный потенциал уплотняемости - А р^ = 1,923 -
- 1,27 = 0,653 г/см3, в каждой из рассматривавшихся точек имел большие приращения плотности, чем грунт оптимальной влажности. Это в первую очередь важно для практики. Но плотность pd тах не была достигнута даже у поверхности сваи и она резко снижалась с удалением от сваи. Грунт с оптимальной влаж-
ностью (у него A pd = 1,736 - 1,435 = 0,30 г/см3) имел вокруг грунтовой сваи большую зону переуплотнённого грунта - рd > pd max, AR ~ 50 см, плотность его
скелета на расстоянии более 37,5 см от поверхности сваи превышала плотность маловлажного грунта. Можно констатировать: при расширении грунтовой сваи деформации в более влажном грунте как бы передаются на большие расстояния, а в маловлажном грунте приращения плотности больше вблизи сваи и более резко уменьшаются с удалением от нее. В.Н. Парамонов в [8] развивает положение о работе грунта в условиях больших деформаций. Процесс глубинного уплотнения грунтовыми сваями можно разделить на два этапа. В зонах, где pd < pd max, происходит деформационное движение среды. Вблизи расширяющейся сваи, в зоне переуплотнённого грунта, когда pd > pd max, происходит жёсткое движение
грунтовой среды, включающее поворот и параллельный перенос. Таким образом, плотность pd max можно отнести к пороговой группе свойств [9] - до и после достижения этой плотности движения грунта под действием напряжений качественно различны.
Использование (1) позволяет оценить рекомендации нормативной литературы: средняя плотность сухого грунта в нижней части уплотнённого массива с грунтовыми условиями II типа по просадочности должна быть 1,70 г/см3, а в противофильтрационных завесах - не ниже 1,75 г/см3. Используя статистически обоснованную в [10] зависимость WL(Ip), получаем:
Wp = Ip / 3 + 0,147, д.е.
(2)
венный путь - уплотнение грунтов с влажностью Ш < Шр: при затратах большей энергии можно достичь указанных плотностей и для более глинистых грунтов. Работы В.Д. Цыплакова и Ю.К. Зарецкого [11] показывают, что уплотнение более сухих грунтов приводит к новым качественным результатам. У глинистых грунтов с числом пластичности от 8,6 до 50,7 %, в соответствии с исследованиями В.Д. Цыплакова, проведёнными ещё в 1940 г., сопротивление разрыву при Ш = 1р возрастает до 0,05 МПа, а при влажности, составляющей 0,751 , оно возрастает ещё на порядок
[11].
С учётом зависимости 1 ь (Ш, Ш ) при Ш = 1р
имеем:
IL1 =2 / 3 - 0,147 /1
(4)
Если грунты уплотняются при оптимальной влажности (Ш = Шр), то с учётом (1) и (2)
Р йтах= (1 - Уа ) / [1/Р , + ( 1р / 3 + 0,147)/р ш ]. (3)
Таким образом, с увеличением пластичности пы-левато-глинистых грунтов их максимальная плотность уменьшается, а формулы (2) и (3) отражают аналитические зависимости этого явления. В грунтовых сваях (в особенности для устройства противофильтрацион-ных завес) могут применяться суглинки и глины; определим значения ра тах по (3) в широком диапазоне изменения числа пластичности. Вот ряд пар значений 1р - Ра тах по (3): 0,06 д.е. - 1,794 г/см3; 0,09 - 1,764; 0,12 - 1,716; 0,15 - 1,688; 0,18 - 1,661; 0,21 - 1,635; 0,24 - 1,609; 0,30 - 1,560; 0,36 - 1,515; 0,42 - 1,495; 0,48 - 1,431; 0,54 - 1,392; 0,60 д.е. - 1,355 г/см3. Эти зависимости и цифры объясняют известные из практики случаи, когда добротно уплотнённые тяжёлые глины с влажностью, незначительно превышающей Шр, имеют плотность скелета, не превышающую 1,3 г/см3.
Отсюда вывод: указанные выше «нормативные» значения плотностей (1,70.1,75 г/см3) могут быть достигнуты уплотнением при оптимальной влажности только супесей и лёгких суглинков (1р< 0,12.0,09); для тяжёлых суглинков и глин такие «нормативные» плотности теоретически недостижимы. Здесь единст-
При второй критической влажности, когда ещё в большей мере возрастает сопротивление разрыву, при W= 0,75 I имеем:
IL2 = 5 / 12 - 0,147/ Ip .
Анализ зависимости (4) показывает, что суглинки со значением Ip= 0,15 должны иметь консистенцию (- 0,313); при Ip = 0,17 - консистенцию (- 0,198), глины со значением Ip = 0,22 можно уплотнять при оптимальной влажности, а более жирные глины - в полутвёрдом и тугопластичном состоянии.
При уплотнении грунтов можно встретиться со случаями, когда pd > pd max и Kcom > 1 (смотри выше). Это объясняется тем, что рассматриваемый шнековый способ более эффективен, на уплотняемый грунт передаётся большая энергия (по сравнению со стандартным уплотнением). Если при контроле уплотнения будет определено значение Sr > 1 (при подсчёте характеристики по ГОСТ 25100-95, где плотность воды принята pw= 1,0 г/см3), это не поддаётся объяснению, так как противоречит определению характеристики. Для разрешения противоречия используем сведения из «Грунтоведения» [12]: «Плотность прочносвязан-ной воды, в среднем может быть принята за 2 г/см3. Рыхлосвязанная вода.имеет плотность, близкую к плотности свободной воды». Отсюда средняя плотность всей воды Pwm, г/см3 и степень влажности:
р wm = 1,0 + 1,0 Wмг / W ,
SrW рs /е (1,0 + 1,0 Wмг / W ),
где WiiT - влажность максимальной гигроскопичности, WмГ и W в д.е.
Учёт реальной плотности воды, когда Sr заведомо меньше единицы, усложнит и лабораторные исследования, и сами расчёты. Но при описании больших деформаций (см. [8]) - при забивке свай в водонасы-щенные грунты, при описании процесса уплотнения грунтов грунтовыми сваями, когда Sr достигает максимального значения, - такой учёт необходим. В [13] З.Г. Тер-Мартиросяном разработан вариант инкрементальной теории упрочняющегося глинистого грунта, показано - в функциональном виде - влияние
плотности и влажности грунта на его деформируемость и прочность. Например, «начальная критическая нагрузка уменьшается почти в 3 раза при изменении степени водонасыщения от 0,7 до 1,0». Следовательно, наличие зон переуплотнения, где реальное значение Б, близко к единице, нужно относить не к достижениям, а к минусам реализованного варианта уплотнения. Следует ограничивать максимальное уплотнение и не какими-либо константами (например, р^ = 1,75 г/см3), а стремиться к тому, чтобы степень
влажности - её реальное значение - не превышало 0,85. Если степень влажности Бг = 0,85 , то
р й = 0,85 р, р ш / (0,85 р Ш+Жр а).
На объектах промышленного и гражданского строительства достигается максимальная плотность по (1); но в ядрах высоконапорных плотин она больше и поровые давления снижают устойчивость сооружения. Например, моренный грунт ядра плотины Хит-теювей, Англия уплотнён до р^ = 2,17 т / м3 [14].
Литература
1. Галай Б.Ф., Галай Б.Б. Лёссовые грунты Китая и Северного Кавказа (условия формирования, состав, свойства, просадочность) // Вестн. СевКавГТУ. Серия Естественнонаучная. 2004. № 1(7). С. 112-116.
2. А.с. 708966 СССР. МКИ Е 02 Д 3/10. Способ уплотнения просадочного грунта и устройство для его осуществления / В.Г. Столяров, В.А. Полуян, А.И. Луговской, Н.В. Журавлёва.
3. Галай Б.Ф. Пособие по уплотнению просадочных лёссовых грунтов глубинными взрывами (изыскания, проектирование, производство работ) / СевКавГТУ. Ставрополь, 2004.
4. Патент Ш 2135691 СЬ 6Е 02 5 / 34. Способ возведения буронабивной сваи / Б. Ф. Галай.
5. Галай Б.Ф., Столяров В.Г. Шнековый способ глубинного уплотнения грунтов и устройства буронабивных свай // Промышленное и гражданское строительство. 2000. № 10. С. 23-24.
6. Столяров В.Г., Галай Б.Ф. Устройство грунтовых свай шнековым способом: обоснование технологических параметров, особенности расчёта оснований и фундаментов / Ставроп. гос. техн. ун-т. Ставрополь, 1999. 19 с. - Деп. в ВИНИТИ, 14.04. 1999, № 1137-В 99.
7. Галицкий В.Г., Круглов И.Н., Эйдук Р.П. Глубинное уплотнение просадочных грунтов станками ударно-канатного бурения // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1966. № 4. С. 25-27.
8. Парамонов В.Н. Математическое моделирование устройства свайных фундаментов в условиях плотной городской застройки // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1998. № 4, 5. С. 13-18.
9. Трофимов В.Т. Теоретические аспекты грунтоведения. М., 2003.
10. Галай Б.Ф. Корреляционные зависимости между показателями пластичности глинистых грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1974. № 4. С. 23.
11. Зарецкий Ю.К. Два механизма разрушения и объединённое условие прочности геоматериалов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002. № 6. С. 2-9.
12. Грунтоведение/ Под ред. Е.М. Сергеева. М., 1973.
13. Тер-Мартиросян З.Г., Тищенко В.А., Якубов М.М. Влияние плотности и влажности глинистого грунта на его деформационные и прочностные свойства // Приложение численных методов к задачам геомеханики. М., 1986. С. 156-167.
14. Тейтельбаум А.И., Мельник В.Г., Савина В.А. Трещино-образование в ядрах и экранах каменно-земляных плотин. М., 1975.
Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь 13 октября 2004 г.
