CC BY
22
УДК 624.154.1
ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ, АРМИРОВАННЫХ БУРО-ИНЪЕКЦИОННЫМИ СВАЯМИ
П.Н. Должиков, А.Ф. Акопян, В.Ф. Акопян
Приведены результаты экспериментальных исследований деформационно-прочностных свойств глинистых грунтов вокруг буро-инъекционных свай. На основании исследований уплотняемости, изменения общего модуля деформации и сдвиговых характеристик доказано существенное улучшение свойств переувлажненных суглинков, построены эмпирические модели.
Ключевые слова: грунт, армирование, напряжение, объемная масса скелета, модуль деформации, прочность, корреляция.
Сегодня в промышленном и гражданском строительстве одним из наиболее распространенных способов усиления основания фундаментов строящихся, реконструируемых и восстанавливаемых зданий являются способы, которые базируются на использовании инъекционных свай (буро-инъекционных, корневидных, анкерных и др.). В мировой и отечественной практике накоплен большой практический опыт использования буро -инъекционных свай, разработаны многочисленные рекомендации. Технология сооружения буро-инъекционных свай при реконструкции фундаментов известна и хорошо отработана. Однако, постоянно изменяющиеся инженерно-геологические условия и растущие нагрузки, увеличение темпов строительства, снижение стоимости СМР вызывают необходимость совершенствования и дальнейшего развития технологии сооружения, методики проектирования параметров и нормативных документов при постановке буро -инъекционных свай [1-6, 9]. Наряду с этим, необходимо изучение напряженно-деформированного состояния грунта, находящегося между цементными уширениями. Поэтому цель работы - исследование свойств уплотненных грунтов.
Буро-инъекционная свая представляет собой устроенную в песчано -глинистый грунт инъекционную трубу, через которую под давлением гидрорасчленения нагнетается цементный раствор. Напорная инъекция цементного раствора способствует формированию в грунте разнонаправленных каналов гидроразрыва, в результате чего в грунте образуется система из инъекционной трубы, цементных уширений и грунта между ними. Эта геомеханическая система работает как единая. Причем грунт между уширениями претерпевает фильтрационную консолидацию и изменяет деформационно-прочностные свойства. Поэтому по методу воздействия на грунт данный способ является комбинированным: армирование и уплотнение [5, 7, 8, 10].
Модель буро-инъекционной сваи, сформированной в слоистом грунте, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Модель буро-инъекционной сваи: 1 - инъекционная труба;
2 - цементное уширение; гс - радиус инъекционной трубы;
1с - длина рабочей поверхности трубы; ЯЭ - радиус распространения каналов гидроразрыва; Н& - эквивалентное раскрытие трещин гидроразрыва; ЯС; Яц - сопротивление грунта под нижним концом сваи и цементных уширений; /г; /ц - сопротивление i - ого слоя грунта и цементного раствора на боковой поверхности
Таким образом, в результате гидроразрыва грунта и заполнения каналов цементным раствором происходит его фильтрационная консолидация вокруг инъекционной трубы. Поэтому были проведены исследования уплотняемости и прочности глинистых грунтов при давлениях сопоставимых с натурными (0,3... 0,5 МПа).
Для оценки степени уплотняемости грунтов в лабораторных условиях обычно применяется метод стандартного уплотнения. Он заключается в определении величин объемной массы скелета уск грунта с различной
влажностью Ш, достигаемых в результате уплотнения ударами падающего груза. По полученным данным строят кривую стандартного уплотнения, т.е. график зависимости объемной массы скелета грунта от влажности уск = /(Ш) . Поэтому основная задача лабораторных опытов состояла в изучении уплотняемости глинистого грунта при его влажности, значительно превышающей оптимальную и изменяющуюся в пределах от 0,2 до 0,3, то есть при степени влажности О = 0,7 -1,0.
Исследования уплотняемости водонасыщенных глинистых грунтов выполнялись в модернизированном приборе стандартного уплотнения.
Он состоит из разъемного цилиндра для уплотнения с разъемным рабочим кольцом от компрессионного или срезного прибора и ударного приспособления, включающего металлический груз массой 2,5 кг и направляющую стойку. Разъемный цилиндр высотой 6 см состоит из основного (рабочего) и двух дополнительных колец, верхнего и нижнего, высотой по 2 см. Кольца помещают в обойму, устанавливаемую на подставку с зажимными винтами.
Исследования уплотняемости переувлажненных и водонасыщенных грунтов проводились на образцах суглинка с объемной массой скелета грунта в естественном сложении 1,55...2,0 г/см , влажностью на границе раскатывания Жр = 0,14 - 0,22, влажностью на границе текучести Жт = 0,26 - 0,34.
Разъемный цилиндр заполняли грунтом ненарушенной структуры путем врезания его в монолит грунта. Грунт в кольце увлажняли расчетным количеством воды до степени влажности О > 0,7, далее выдерживали в эксикаторе не менее суток, а затем уплотняли 30 ударами груза падающего с высоты 30 см. После уплотнения верхнее и нижнее кольца разъемного цилиндра снимали, а оставшийся грунт тщательно подрезали в уровень с краями рабочего кольца. Одновременно отбирали пробы с верхней и нижней части для определения влажности грунта. Результаты исследований приведены на рис. 2, где показано изменение объемной массы скелета уплотненного грунта. После уплотнения рабочие кольца с грунтом помещали в компрессионные или срезные приборы для определения деформационных и прочностных характеристик. Проводилось определение сжимаемости и сдвиговых характеристик грунта ненарушенной структуры.
Следует отметить, уплотнение грунта может происходить в результате уменьшения объема пор занятых воздухом, а следовательно, повышения степени влажности грунта О и оттока поровой воды, что обуславливает снижение влажности грунта Ж и повышение его прочности.
Анализ полученных результатов показывает, что относительное сжатие уплотненных водонасыщенных глинистых грунтов, начиная с давления 0,1.0,15 МПа, уменьшается в 1,5-2 раза. В некоторых случаях снижение относительного сжатия уплотненных глинистых грунтов наблюдается с первых ступеней нагрузки. Можно полагать, что под воздействием уплотнения в во-донасыщенном глинистом грунте образуются новые структурные связи, в результате чего повышается сопротивление сжатию при первых ступенях нагрузки, то есть при уплотнении водонасыщенного глинистого грунта формируется новая структурная прочность.
Результаты компрессионных исследований образцов различного состояния приведены в табл. 1.
7
СК. Г СМ"
1.70
1.60
1.50
1.40
к < \ V в
\ а ^^ | » » > V 1 »\
| ^^ \
\ • ч • \ • ^^ 1 \ 1 \ • к •
у л
• \ < I \ • 1 \
2 \ 3^ , 4
\
0.21 0,23 0,25 0,27 0,29 д.ед.
Рис. 2. Изменение объемной массы скелета грунта после уплотнения в зависимости от влажности: 1 - 4 - при степени влажности соответственно 0,85; 0,9; 0,95; 1,00
Таблица 1
Результаты компрессионных испытаний грунтов
Е, МПа
№ обр. Уск, г/см3 Ж, д.ед о, д.ед е, д.ед а, МПа-1
до уплотн. после уплотн.
1 1,85 0,15 0,89 0,2 0,079 8,9 12,1
2 1,55 0,20 0,88 0,3 0,078 9,4 12,9
3 1,57 0,20 0,72 0,29 0,080 4,9 9,1
4 1,57 0,21 0,83 0,3 0,028 37,1 41,2
5 1,55 0,21 0,83 0,28 0,082 8,8 14,6
Рассмотрим изменение модуля деформации образцов после уплотнения. Расчет модуля деформации Е выполнялся по формуле
£ = ^ Р,
где е
1А У с
1 - коэффициент пористости; шу - коэффициент уплотнения;
Р - безразмерный коэффициент, зависящий от вида грунта, для суглинка 0,57.
Как следует из анализа табл. 1, происходит увеличение значения модуля деформации уплотненных образцов по сравнению с исходными значениями в 1,3 - 1,8 раза.
Испытания по определению сопротивления грунта сдвигу проводились в сдвиговых приборах по схеме медленного сдвига в условиях завершенной консолидации с предварительным уплотнением грунтов, которое осуществлялось давлением 0,1.0,3 МПа при полном водонасыщении образцов.
Согласно полученным данным сцепление уплотненного водонасы-щенного глинистого грунта увеличилось в 1,45 - 2,0 раза, угол внутреннего трения - на 2-3°. Например, для образцов грунта с влажностью 20 % и исход-
"5
ной величиной уск = 1,55г/см сцепление возросло с 0,0275 до 0,0325 МПа, а угол внутреннего трения изменился с 26,5 до 29,9° (рис. 3).
т. МПа
А
0.0 4
0.0 3
0.0 2
1 '
0.1
0.3
0.4
о, МПа
Рис. 3. Изменение сдвиговых свойств грунта: 1 - до уплотнения;
2 - после уплотнения
Математическая обработка результатов экспериментов выполнялась при помощи регрессионного анализа с использованием программных комплексов для персональных компьютеров Microsoft®Excel и Mathcad® 14, в результате чего было установлено, что эмпирические зависимости на рис. 3 наиболее адекватно описываются линейным трендом вида у = к • х + Ь.
Таблица 2
Эмпирические параметры к определению сдвиговых свойств грунта
Состояние Эмпирический параметр
к b Коэффициент корреляции, r
До уплотнения 3,70 1,00 0,73
После уплотнения 1,65 0,52 0,86
Зависимости относительного сжатия образцов грунта от давления по результатам компрессионных испытаний наиболее адекватно описываются
степенной функцией вида: е = а • РЬ . Эмпирические параметры а и Ь приведены в табл. 3.
Таблица 3
Эмпирические параметры функции относительного сжатия грунта
Образцы грунта Эмпирический параметр
до уплотнения после уплотнения
a b r a b r
№1 0,11 0,41 0,95 0,08 0,46 0,96
№2 0,13 0,52 0,96 0,09 0,49 0,95
№3 0,34 0,97 0,96 0,15 0,81 0,98
№4 0,44 0,69 0,97 0,22 0,47 0,96
№5 0,13 0,39 0,98 0,37 1,35 0,92
Установлено, что даже при незначительных напряжениях (0,3.0,5 МПа) деформационно-прочностные свойства грунта вокруг труб улучшаются в 1,5 - 2 раза, что позволяет при проектировании работ по усилению оснований фундаментов уменьшить количество свай в 3 - 4 раза, при этом несущая способность сваи увеличивается в 2 - 3 раза.
Список литературы
1. Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов из буро-инъекционных свай / Б.В. Бахолдин, Х.А. Джантимиров, А.В. Вронский, Б.Л. Фаянс. М.: НИИОСП, 1982. 48 с.
2. Смолин Б.С. Буро-инъекционные сваи для усиления фундаментов реконструируемых зданий и сооружений. М.: ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1985. 31 с.
3. Усиление оснований фундаментов Луганской городской больницы №7 после взрыва / Н.П. Куркин, А.Г. Неверов, С.В. Щукин, П.Н. Должиков // Сб. науч. тр. ДонГТУ. 2012. №38. С. 232-239.
4. Сорочан Е.А., Быков В.И., Егоров А.И. Усиление грунтов основания, фундаментов и несущих конструкций аварийных зданий инъекционными методами // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2001. №1. С. 20 - 22.
5. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Аналитическое исследование несущей способности буро-инъекционной сваи // Зб. наук. праць ДонДТУ. Вип. (1) 42 2014. С. 117-121.
6. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Стройиздат, 1988. 287 с.
7. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Совершенствование методики проектирования параметров буро-инъекционных свай // Матер. научн.-практ. конф. «Строительство и архитектура - 2015». Ростов н/Д: РГСУ. С. 366-368.
8. Должиков П.Н., Талалаева В.М. Испытания несущей способности буро-инъекционных цементных свай // Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент общества. Уфа: Аэтерна, 2018. С.41-43.
9. Herion S. et al. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Injection Piles //The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. - International Society of Offshore and Polar Engineers, 2015. P. 79-83.
10. Benoot J. et al. Analysis of installation factors of screwed tube piles with grout injection // Proceedings of the Fourth International Conference on New Developments in Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016. V.1. №.1. P. 225-230.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., dolpn@yandex.ua, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Акопян Александр Феликсович, канд. техн. наук, доц., a-lex-an-der@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Акопян Владимир Феликсович, канд. техн. наук, доц., vovaakop@,mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
RESEARCH OF DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES OF GROUNDS REINFORCED BY DRILL-INJECTION PILES
P. N. Dolzhikov, A. F. Akopyan, V. F. Akopyan
In the article it had been presented the research results of deformation and strength properties of clay grounds around drill-injection piles. It had been proved important improvement of wet clay loam properties based on the research of compactibility, changes in the total modules of deformation and shearing characteristics. It were obtained empirical models.
Key words: ground, reinforcement, tension, bulk density, deformation module, strength, correlation.
Dolzhikov Peter Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, dolpn@yandex. ua, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Akopyan Alexander Feliksovich, candidate of technical sciences, docent, a-lex-an-der@yandex.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Akopyan Vladimir Feliksovich, candidate of technical sciences, docent, vo-vaakop@mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Recommendations for the design and construction of foundations from drill-injection piles / B. V. Bakholdin, X. A. Dzhantimirov, A.V. Vronsky, B. L. Faience / / Moscow: NIIOSP, 1982. 48 PP.
2. Smolin B. S. Drill-injection piles to strengthen the foundations of reconstructed buildings and structures. M.: cbti. Minmontazhspetsstroj of the USSR, 1985. 31 c.
3. Strengthening of bases of the bases of the Lugansk city hospital No. 7 after explosion / N. P. Kurkin, A. G. Neverov, S. V. Shchukin, P. N. Dolzhikov / / SB. nauch. tr. DonGTU. Al-chevsk: DonGTU, 2012. No. 38. Pp. 232-239.
4. Sorochan E. A., Bykov V. I., Egorov A. I. Strengthening of soil foundations, foundations and load-bearing structures of emergency buildings by injection methods / / Bases, foundations and soil mechanics. 2001. No. 1. S. 20 - 22.
5. Dolzhikov P. N., Sbicca V. V. Analytical study of the bearing capacity of brown-injection piles // ZB. sciences'. prazi Dondo. VIP. (1) 42 Alchevsk: IPC "Lado". 2014. Pp. 117121.
6. Konovalov P. A. Bases and foundations of reconstructed buildings. Moscow: Stroiz-dat. 1988. 287 PP.
7. Dolzhikov P. N., Sbicca V. V. Improvement of the methodology for the design parameters of brown-injection piles // Mater. scientific.- pract. Conf. "Construction and architec-ture-2015". Rostov n/A: RGSU. Pp. 366-368.
8. Dolzhikov P. N., talalaeva V. M. Tests of bearing capacity of drilling-injection cement piles / / Physical-mathematical and technical Sciences as a postindustrial Foundation of society-Ufa: Aeterna. 2018. Pp. 41-43.
9. Herion S. et al. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Piles Injection //The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. - International Society of Offshore and Polar Engineers, 2015. P. 79-83.
10. Benoot J. et al. Analysis of factors installation of screwed tube piles with grout injection // Proceedings of the Fourth International Conference on New Developments in Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016. V. 1. no.1. P. 225-230.
