CC BY
47
------------------------------------------------ © В.А. Дмитриенко,
Т.В. Дмитриенко, В.В. Панченко,
2004
УДК 622. 016
В.А. Дмитриенко, Т.В. Дмитриенко, В.В. Панченко
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГРУНТОВЫХ АНКЕРОВ
Семинар № 13
Yf лощадки строительства шахт с середи-
J-Л. ны 70-х годов прошлого столетия, стали все больше и больше удаляться от развитой инфраструктуры городов. Что требовало прокладки временных коммуникаций и размещения площадок строительства на пахотных землях и соответственно их отчуждения.
Передача земли в частную собственность поставит перед строителями массу проблем. Линии электропередач и связи, транспортные коммуникации, да и сами объекты строительства придется размещать на малопригодных для сельскохозяйственной деятельности землях. Это в свою очередь приведет к увеличению протяженности коммуникаций. Поэтому единственным путем сокращения затрат на временные объекты является повышение их мобильности и многократного использования.
Современные проекты производства работ по монтажу и демонтажу опор временных и постоянных ЛЭП отличаются высокой стоимостью и трудоемкостью. Монтаж временных и постоянных подъемных машин и копров, проходческих лебедок и т.п., требует возведения массивных фундаментов, а в условиях просадочных грунтов еще и устройства свайных фундаментов. Все это приводит к значительным затратам. Стоимость земли под строительство в городах, также будет существенно расти, поэтому приоритетным будет возведение новых высотных зданий и месте старых и ветхих, для этого потребуется укрепление откосов котлованов и повышение несущей способности фундаментов. С этой точки зрения заслуживает внимания опыт немецкой фирмы «ISCHEBCCK» по применению буровых и впрессовываемых анкерных свай «TITAN».
Для определения работоспособности и надежности технологии «TITAN» на кафедре СПСиШ ШИ ЮРГТУ, был проведен ряд экспериментов, целью которых было исследование поведения анкерных свай в наиболее распространенных грунтах нашей области, а также возмож-
ности использования отечественных материалов и оборудования для их установки.
Предварительные расчеты показали, что использование в качестве анкерного стрежня водогазопроводной сварной трубы диаметром 1,5, может обеспечить несущую способность 100-120 кН. Этого вполне достаточно для закрепления 4-6 анкерами большинства проходческого оборудования и опор временных ЛЭП. Использование в качестве анкерных стержней водо-газопро-водных труб обусловлено их низкой стоимостью, однако пластичность стали вызывает ряд проблем. Наиболее оптимальной длиной, с точки зрения минимума затрат на погружение труб в грунт, является величина 2,0-2,5 м. В этом случае для погружения на минимальную рекомендованную глубину 6,0 м потребуется выполнить два соединения труб.
Попытки произвести погружение колонковым перфоратором отрезка трубы длиной 2 м с сохранением резьбы успехом не увенчались, несмотря на то, что для соединения труб была разработана специальной конфигурации муфта, а на перфоратор переходник. На сжатие соединительный узел работал удовлетворительно, а на растяжение разрывное усилие было меньше расчетного почти в 2,5 раза. В этой связи пришлось ограничиться исследованиями анкеров длиной до 2 м. Но в этом случае выполнить допрессовывание цементного раствора с давлением до 6,0 МПа не предоставлялось возможным - происходило выдавливание цементного раствора вдоль трубы, без существенного повышения давления. Попытки герметизации устья скважин при вибрирующем стержне не дали положительных результатов. Исследования ряда конструктивных элементов позволили установить, что наиболее эффективным решением для повышения давления в забойной части анкерного стержня, является установка на трубе нескольких поперечных распорок (колец) с диаметром равным диаметру формируемой скважины. Причем установлено, что на перепад дав-
ления влияет не только число распорок, но и их длина. Для нагнетания использовался раствор с водоцементным отношением В:Ц = 0,7, позднее в раствор, для сокращения сроков схватывания вводился хлористый кальций (3 % от массы цемента). Так как процесс погружения двухметровой трубы не превышал 10:15 минут, то существенных изменений в давлении нагнетания раствора не наблюдалось. Однако, следует отметить, что прочность образцов цементного камня с добавками СаС1, при одинаковой времени выдержки (28 суток), на 22 % выше.
Максимальное давление опрессовки, которого удалось достичь в песчаных грунтах, составило 2,1 МПа, в глинистых оно не превышало 0,8 МПа. Это объясняется тем, что при смешивании песка с цементным раствором, образуется состав с более высокими структурно-механическими характеристиками, а интенсивное отфильтровыва-ние жидкой фазы в массив, еще больше увеличивает их. Сме-шивание же разрыхленных глинистых грунтов с цементным раствором, хотя и повышает вязкость, но динамическое воздействие трубы резко увеличивает подвижность смеси.
Кроме этого в песчаном грунте раствор вдоль стержня имеет почти одинаковую структуру по длине и небольшие колебания по прочности, в среднем 18,0-22,0 МПа (при марке цемента М500). В глинистых грунтах структура цементного камня пористая с включениями плохо перемешанных частиц грунта, причем размер частиц иногда превышает 5 мм, прочность раствора при этом составляет лишь 8 МПа. Следует также отметить, что излив раствора из скважины в песчаном грунте составляет 10-15 %, а в глинистом превышает 50 %. Целью дальнейших экспериментальных исследований в натурных условиях были следующие задачи:
• установить, несущую способность грунтовых анкеров и ее соответствие расчетной;
• определить зону «влияния» анкеров (площадь деформирования поверхности земли);
• установить зону упрочнения грунта и изменения в ней физико-механических свойств пород;
• определить оптимальную форму наконечника штанги, обеспечивающего мини-мальное сопротивление при погружении и максимальное распространение впрессовываемого раствора в массив грунта
Так как в современных условиях выполнить большое число экспериментальных исследований чрезвычайно сложно, то была разработана методика проведения экспериментов, обеспечиваю-
щая полноту информации при минимуме затрат. Она заключалась в следующем. На трубу диаметром 1,5 м длиной 2 м приваривался наконечник в виде конуса с определенным углом между осью и образующей, с основанием диаметром 100 мм; через каждые 0,25 м, по трубе приваривались распорки, представляющие собой стальные полые цилиндры, с внутренним диаметром 50 мм и наружным 100 мм. Предназначенный для погружения анкерного стержня перфоратор, устанавливался на направляющие и через переходник, к нему прикреплялась труба. Погружение до 0,75 м осуществлялось без подачи цементного раствора, Затем из разделительной емкости, сжатым воздухом, в скважину закачивался цементный раствор, через устройство промывки. Воздух в разделительную емкость подавался через два редуктора, высокого и низкого давления, из двух кислородных баллонов. Давление в разделительной емкости фиксировалось через каждые 0,25 м погружения анкера, фиксировалось также и время погружения анкера.
В песке, погружение в интервале глубин 1,5-
2,0 м, сопровождалось нагнетанием с высоким давлением нагнетания до 1,8 МПа. После погружения анкера определялся объем израсходованного раствора, а объем вышедшего на поверхность определялся отдельно.
По истечении 10 суток после установки анкера, на расчетную глубину по специально разработанной сетке электроперфоратором, пробивались отверстия для установки глубинных реперов. Пробивка, вместо разбуривания, применялась потому, что прочность закрепления реперов в разбуренных отверстиях была крайне низкой и при деформировании грунта, зачастую происходило их произвольное смещение. Для обеспечения установки в одном отверстии трех реперов на разных глубинах, была разработана специальная конструкция распорного устройства.
Сетка расположения отверстий вокруг анкера составлялась таким образом, чтобы на соответствующей глубине, для каждого интервала расстояния от оси анкера, было не менее четырех реперов. Интервал точек измерения от оси скважины, вблизи впрессовываемого цементного тела был принят 20 мм (три точки), затем 50 мм (три точки) и 100 мм (четыре точки). Испытание анкера, выдергивающей нагрузкой производилось посредством рычажной системы, с соотношением плеч 1:25, из прямоугольной трубы сечением 100x40 мм с толщиной стенки 4 мм, которая при усилении по контуру пластинами толщиной 4 мм
при длине рычага 5,0 м, обеспечивала усилие на анкере 50 кН.
Для измерения смещения, на концы реперов выходящих на поверхность, нетвердеющей мастикой крепились десятисантиметровые звенья складных метров. Это позволяло затем, с помощью нивелира, взяв начальные отсчеты, определять смещения грунта в различных точках и на разной глубине. При расстоянии до реперов 1,5-
3,0 м. нивелир позволяет фиксировать отсчеты с точностью до 0,2 мм.
Нагружение рычажной системы осуществлялось ступенями по 10 кг, что позволяло наращивать усилие на анкере по 2,5 кН. Фиксация перемещений реперов производилась после полной стабилизации смещений анкерного стержня на соответствующей ступени нагружения. Следует отметить, что после превышения определенного значения усилия выдергивания, деформации продолжались несколько часов. Причем «увязать» это значение с пределом текучести грунта, можно было лишь приблизительно, так как разброс этих значений, для реперов находящихся в непосредственной близости от впрессовываемого тела был весьма значительным, до 180 %. Поскольку на данном этапе исследований предусматривалось варьирование ряда параметров при погружении анкеров, то однозначно установить связь с каким-либо фактором начало «пластического течения» анкера, пока не удалось, но два момента хотелось бы отметить.
При определении физико-механических
свойств грунтов возле контура впрессованного цементного тела анкера отмечен целый ряд анормальных значений пластической прочности грунта Рм, причем как в сторону увеличения, так и уменьшения от среднего значения. При использовании двухступенчатой насадки на анкерный стержень, наблюдалось наибольшее увеличение пластической прочности грунта вблизи контура анкера, в связи с более глубоким проникновением раствора в массив.
Минимальные значения Рм, отмечены при использовании цементного раствора без добавок пластификатора и ускорителей схватывания. Это очевидно приводило к отфильтровыванию боль— Коротко об авторак --------------------------
шого количества жидкой фазы из раствора и увеличению пластичности приконтурного слоя грунта. Не исключены также процессы диффузионного выщелачивания солей из глинистых пород, что, как правило, сопровождается уменьшением сопротивления сдвигу грунта.
Рассматривая процессы смещения грунта в зоне влияния анкера, можно отметить, что смещения имеют в основном гиперболическую зависимость от расстояния до продольной оси анкера, хотя в отдельных случаях наблюдается «ступенька», о чем упоминалось ранее.
Проведенные исследования, хотя и не являются завершенными, из за резкого изменения погодных условий, все же позволяют сделать следующие выводы:
1. После доработки ряда исследованных технических и конструктивных решений по установке анкеров из труб, можно обеспечить их надежное закрепление в глинистых грунтах.
2. Наиболее целесообразно использовать для установки анкеров в глинистых грунтах «прокол» вместо разбуривания.
3. Увеличению прочности закрепления и снижению затрат на установку анкеров, способствует применение головной насадки, сложной двухступенчатой формы.
4. Добиться высокой несущей способности грунтовых анкеров, длиной до 3 м, можно только применяя цементные составы с высокой скоростью структурообразования, низкой водоотдачей и обладающих высокой подвижностью сразу после приготовления.
5. Эффективность всего комплекса работ по установке грунтовых анкеров будет зависеть от применения надежной, научно-обоснованной методики проектирования их параметров.
6. Для обеспечения длительной и безаварийной эксплуатации объектов, закрепленных грунтовыми анкерами необходим контроль за состоянием напряженно-деформированного состояния массива и физико-механических свойств грунтов, то есть требуется разработка методики и приборов для определения физико-механичес-ких свойств грунтов в скважинах малого диаметра.
Дмитриенко В.А., Дмитриенко Т.В., Панченко В.В. - Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета, г. Шахты, Россия.
