CC BY
34
УДК624.138
НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ, АРМИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫМ РАСТВОРОМ
А.Ю. Прокопов, И.В. Сычев
На территориях, сложенных просадочными грунтами, при строительстве зданий и сооружений возникает проблема обеспечения надежности основания, для решения которой прибегают к использованию различных методов закрепления грунтов. Рассмотрен передовой опыт закрепления глинистых просадочных грунтов и новый запатентованный метод оценки качества закрепления с помощью штампов большой площади с предварительным замачиванием закрепленного основания.
Ключевые слова: просадочные грунты, армирование грунтов, цементация, штамповые испытания, контроль качества.
При проектировании и строительстве зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях, обусловленных наличием проса-дочных грунтов, остро стоит проблема выбора оптимального, с точки зрения технико-экономических показателей и производства работ, технического решения подготовки основания [1-5].
Рассмотрим передовой опыт закрепления сильнопросадочных грунтов основания и контроля качества работ на примере реконструкции комплекса зданий городской больницы №1 в г. Ростове-на-Дону.
В ходе проведения инженерно-геологических изысканий [6] и предпроектной проработки на объекте «Реконструкция МБУЗ «Городская больница № 1 им. Н.А. Семашко г. Ростова-на-Дону» со строительством совмещенного корпуса хирургического отделения, терапевтического отделения и административного блока» была выявлена мощная (до 19 м) толща сильнопросадочных суглинков, с просадкой от собственного веса до 34,88 см и риском возможного замачивания за счет аварийных или долговременных утечек из водонесущих коммуникаций, что может привести к образованию временных техногенных линз воды, неравномерной реализации просадочных свойств грунтов и деформации зданий.
Согласно нормативным требованиям СП 21.13330.2012 «Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах», на площадке строительства зданий и сооружений на просадочных грунтах при возможной просадке грунтов от собственного веса $$¡^>30 см и возможности их замачивания должно быть предусмотрено выполнение одного из следующих мероприятий:
- устранения просадочных свойств грунтов любым из доступных методов;
- прорезки просадочной толщи грунтов сваями и фундаментами глубокого заложения с опиранием их на подстилающие непросадочные грунты повышенной несущей способности, залегающие ниже глубиныЯ$/.
При расчетах несущей способности свай с учетом негативного трения, возникающего при замачивании просадочных грунтов и расположения опорного слоя грунта повышенной несущей способности на глубине более 25 м, было определено, что длина таких свай должна составлять около 30 м, диаметр - не менее 500 мм.
При анализе возможных характеристик и способов устройства свайного варианта подготовки основания, установлено, что стоимость и сроки выполнения работ нулевого цикла сопоставимы с выполнением всех остальных строительно-монтажных работ, вместе взятых.
В связи с этим была предложена широко распространенная и успешно применяемая в грунтовых условиях г. Ростова-на-Дону буроинъ-екционная технология подготовки основания фундаментов методом армирования грунтов цементно-песчаным раствором.
Для определения расчетных деформационных характеристик и подтверждения технико-экономической эффективности принятого варианта улучшения строительных свойств грунтов основания, были проведены полномасштабные натурные испытания грунтов, закрепленных методом армирования цементно-песчаным раствором, при помощи запатентованной установки.
Согласно нормативным требованиям была составлена программа испытаний, в которой была подробно описана последовательность выполнения работ на опытном участке. Для этих целей была выделена площадка, с известным инженерно-геологическим строением. За основу принята скважина № 22, которая находится в непосредственной близости к месту проведения испытания, расстояние не превышает 10 м. Учитывая спокойный рельеф и однородное сложение инженерно-геологических элементов, ее можно принять типовой для геологического строения опытного участка.
В геоморфологическом отношении участок изысканий приурочен к плиоценовой террасе р. Дон. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 61,20 до 63,72м. Площадка полого наклонена в юго-западном направлении.
Непосредственно на площадке вскрыты четвертичные отложения, относящиеся в соответствии с ГОСТ 25100-2011 к классам техногенных и природных связных и несвязных дисперсных грунтов, преимущественно с механическими и водно-коллоидными структурными связями осадочного генезиса, перекрытые с поверхности насыпным и почвенно-растительным слоем.
В пределах насыпного О^у) и почвенно-растительного (еОгу) слоев инженерно-геологические элементы (ИГЭ) не выделялись, поскольку они полностью проходятся фундаментами. Ниже залегают следующие грунты:
- ИГЭ-1 (dQIII) от 1,3-4,2 до 7,9-10,6м- Суглинок легкий пылеватый твердый просадочный незасоленный ненабухающий;
- ИГЭ-2 (dQIII) от 7,9-10,6 до 18,1-19,9м - Суглинок тяжелый пыле-ватый твердый просадочный незасоленный ненабухающий без примеси органических веществ;
- ИГЭ-3 (dQII) от 18,1-19,9 до 24,4-35,0м - Суглинок тяжелый пы-леватый твердый непросадочный незасоленный ненабухающий;
- ИГЭ-4 (dQI) от 31,1-34,1 до 35,0м - Суглинок легкий песчанистый твердый непросадочный незасоленный ненабухающий;
- ИГЭ-5 (dQII) от 24,4-33,2 до 35,0м - Суглинок тяжелый пылева-тый твердый непросадочный незасоленный ненабухающий.
Участок изысканий расположен в зоне разгрузки грунтовых вод в сарматский водоносный горизонт. Подъем уровня грунтовых вод (УГВ) здесь не ожидается. Однако возможно замачивание просадочных суглинков вследствие аварийных или долговременных утечек из водонесущих коммуникаций. Наличие воды только в 4 из 31 пробуренных скважин, расположенных в непосредственной близости от проходящих юго-западнее водонесущих коммуникаций, свидетельствует о техногенном характере данных водопроявлений, в результате образовавшегося купола растекания за счет длительных утечек на сопредельных территориях.
По данным «СевКавГипросельхозСтрой» (1990 г.), коэффициент фильтрации грунтов ИГЭ-1 составляет 0,485 м/сут, ИГЭ-2 - 0,440 м/сут, ИГЭ-3 - 0,305 м/сут, ИГЭ-4 - 0,772 м/сут, ИГЭ-5 - 0,261 м/сут.
Физико-механические свойства грунтов по каждому ИГЭ приведены в таблице.
Физико-механические свойства грунтов
Характеристика Инженерно-геологический элемент
ИГЭ-1 ИГЭ-2 ИГЭ-3 ИГЭ-4 ИГЭ-5
Влажность, % 18 17,7 19,8 13,8 20,1
Плотность, г/см3 1,75 1,79 1,95 1,97 2,02
Коэффициент пористости 0,817 0,769 0,651 0,548 0,599
Показатель текучести при природной влажности -0,13 -0,15 -0,09 -0,24 -0,04
Показатель текучести при £г=0,9 0,67 0,49 0,06 0,31 -
Удельное сцепление, кПа 14 17 25 16 28
Угол внутреннего трения, град 20 21 23 23 23
Модуль деформации при природной влажности, МПа 16,5 15,2 - - -
Модуль деформации при полном водонасыщении, МПа 4,7 6,4 21,0 20,7 22,5
Программой испытаний было предусмотрено закрепление грунтов основания фундамента методом армирования просадочных грунтов це-
ментно-песчаным раствором и работы на опытном участке, в ходе которых отрабатывались технологические параметры закрепления просадочных грунтов.
Данная технология включает в себя бурение скважин диаметром 60...70 мм, установку извлекаемого гибкого и неизвлекаемого металлического инъектора, тампонирование скважины, нагнетание через инъекторы при помощи насоса цементно-песчаного раствора под давлением, достаточным для образования хаотически направленных полостей гидроразрыва.
Ожидаемый эффект от реализации технологических операций -увеличение расчетного сопротивления грунта основания, устранение про-садочных свойств грунтов, повышение модуля деформации грунта в водо-насыщенном состоянии.
Опыт работ на площадках с аналогичными инженерно-геологическими условиями [7, 8] позволил предварительно назначить модуль деформации массива грунта закрепленного основания при условии полного водонасыщения равным 15 МПа.
Программой полевых штамповых испытаний были предусмотрены следующие виды работ:
- отрывка котлована до нижней границы насыпного слоя (кровли ИГЭ-1);
- освидетельствование соблюдения технологического процесса закрепления грунтов, предусмотренного программой испытаний, под квадратным штампом, со стороной 2,4 м;
- замачивание котлована согласно ГОСТ 20276-2012 и пособия к СНиП 2.02.01-83*;
- геодезический мониторинг деформаций грунтов от собственного веса и примыкающих к котловану зданий, и сооружений;
- монтаж запатентованного устройства [9] для испытания грунтов, армированных цементно-песчаным раствором;
- проведение штамповых испытаний согласно ГОСТ 20276-2012 «Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости»;
- обработка результатов [10].
Согласно программе работ на опытном участке использована следующая технология производства работ, предусматривающая 5 этапов:
-бурение скважины диаметром 70-80 мм на глубину: 1-й этап - 3,4 м, 2-й этап - 6,8 м, 3-й этап - 10,2 м, 4-й этап - 13,7 м ниже подошвы фундамента; установка извлекаемого гибкого инъектора; тампонирование; нагнетание цементно-песчаного раствора под давлением; извлечение гибкого инъектора.
- 5-й этап - бурение скважины диаметром 70-80мм на глубину 17,7 м ниже подошвы фундамента; установка неизвлекаемого металлического
инъектора; тампонирование; нагнетание цементно-песчаного раствора под давлением.
На первоначальном этапе работы установлено время устойчивого состояния скважины с момента завершения бурения этой скважины. Устойчивое состояние скважины - стенки скважины не оплывают, глубина скважины не уменьшается.
Бурение осуществлялось буровым станком в комплекте с инструментом для шнекового бурения скважин диаметром 70-80 мм УКБ 12/25, шнек 072 Ь=1,0 ШБ 72х36/1000/52-ШП, долото 2-х лопастное 075мм.
В процессе бурения обращалось особое внимание на качество скважин: глубина и плановая привязка соответствовали проектным. После бурения скважина очищалась от насыпного грунта путем неоднократного погружения и извлечения вращающихся шнеков.
Нагнетание цементно-песчаного раствора производилось через извлекаемые гибкие (этапы 1 -4) и неизвлекаемые металлические инъекто-ры(этап 5), установленные в скважины диаметром 70...80 мм.
Рабочий раствор готовился путем разведения реагентов в соотношениях 1:2:1 (цемент-песок-вода) по весу. Нагнетание рабочего раствора производилось при помощи буровогонасоса в последовательности, указанной выше, при давлении в диапазоне от 0,2 до 0,9МПа.
При выполнении законтурных инъекций на первом этапе наблюдался незначительный выход цементно-песчаного раствора на поверхность, в связи, с чем на площадке было принято решение по установке па-кера глубже в скважину, в результате чего проблема была устранена.
После производства работ и начального набора прочности цемент-но-песчаного раствора, были выполнены работы по замачиванию котлована с фиксацией реализации просадочных свойств грунтов в пределах котлована и близко расположенных зданий, и сооружений.
Замачивание котлована проводилось согласно ГОСТ 20276-2012. За пределами штампов были пробурены дренажные скважины на всю глубину просадочной толщи. Диаметр дренажных скважин принят 300 мм, ствол скважины заполнен щебнем фракции 20.40 мм.
Согласно пункту 5.4.8 ГОСТ 20276-2012 замачивание просадочных грунтов в основании штампа в скважинах производилось рассредоточенной струёй во избежание размыва грунта. На завершающем этапе замачивания, уровень воды поддерживался на 5.10 см выше поверхности песчаной подушки и измерялся расход воды.
Расход воды рассчитывался по приложению Г ГОСТ 20276-2012:
Расход воды б, м , вычислялся по формуле
б = — (ю*^ -Ю) V,
Рю
гдер^- плотность грунта в сухом состоянии, т/м (в рассматриваемых
3 3
условияхр^ =1,5 т/м );рю - плотность воды, принимаемая равной 1 т/м - влажность грунта в насыщенном водой состоянии (5Г>0,8), доли единицы (0,313);ю - природная влажность грунта, доли единицы (0,179); V- объем замачивания грунта, равный произведению площади шурфа (или замачиваемого участка котлована) на глубину замачивания и на коэффициент
3 3
1,2, учитывающий растекание воды, м (9*15*18*1,2=2916 м ).
{1 = 1,5 (0,313 - 0,18) • 2916 = 582 м3.
Согласно п. 3.168 «Пособия к СНиП 2.02.01-83*» максимальный суточный расход воды qmax, при замачивании с поверхности определяется по формуле
Чтах
где п = 3, если есть дренажные скважины; к/ - коэффициент фильтрации; Лм> - площадь замачивания.
Чтах= 3-0,46-(4-4)= 22,1 м3. Продолжительность процесса замачивания составила 4 недели. Для контроля влажности грунтов были отобраны образцы до глубины 17,5 м от подошвы штампа. Влажность грунта определялась весовым методом, степень влажности Бг > 0,8. Испытание закрепленного массива штампом проведено согласно ГОСТ 20276-2012для определения модуля деформации в водонасыщенном состоянии Е8Сй. В состав установки для испытания грунта штампом (рис. 1) входит: штамп в виде железобетонной плиты с закладными деталями - металлическими трубами диаметром 89 мм, с габаритные размеры 2400*2400*600 мм, домкрат ДГ200П150 с манометром МА100ВУ100, винтовые металлические сваи длиной 10 м; комплект прогибомеров 6ПАО.
1800
Анкерные
Рис. 1. Установка для проведения штамповых испытаний [9]
Согласно ГОСТ 20276-2012 по результатам испытаний построен график зависимости осадки штампа от давления 5=Др) (рис. 2). На графике представлена усредняющая прямая, построенная графическим методом.
Рис. 2. График зависимости осадки штампа от давления £ = /(р)
За начальные значения р 0 и (первая точка, включаемая в осреднение) принято давление, равное напряжению о2&0, и соответствующая ему
осадка; за конечные значения рп и £п - значения р, и ^ соответствующие
четвертой точке графика на прямолинейном участке.
При этом количество включаемых в осреднение точек должно быть не менее трех. В противном случае при испытании грунта необходимо применять меньшие ступени давления.
Модуль деформации грунта Е, МПа, вычислен для линейного участка графика по формуле
Е = (1 - V2) • Кр • К • В,
р 1 да
где v — коэффициент Пуассона, принимаемый для суглинков равным 0,35;
коэффициент Кр принимают равным 1 при испытаниях грунтов штампами в котлованах, шурфах и дудках; К1 - коэффициент, принимаемый равным 0,88 для жесткого квадратного штампа [1]; D - диаметр (сторона) штампа, м; Ар - приращение давления, равное pn-po, МПа; AS- приращение осадки штампа, м.
E = (1 - 0,352)-1-0,88-2,4-0,17 / 0,0 1 95 = 16,15 МПа.
Таким образом, экспериментально определен модуль деформации грунтов, полученный в результате закрепления методом цементации, который хорошо согласуется с теоретически определенным (15 МПа) для заданных параметров закрепления и исходных инженерно-геологических условий.
Выводы
1. Для более точного определения модуля деформации закрепленного грунта была разработана новая конструкция устройства [9], позволяющая выполнить штамповые испытания на значительно большей площади по сравнению с традиционными размерами штампов, тем самым учесть неоднородность деформационных характеристик закрепляемого массива и максимально приблизить испытания к условиям фактической эксплуатации фундаментов на искусственном основании.
2. При производстве работ на опытном участке был отработан режим нагнетания цементно-песчаного раствора. Фактический расход цемента на 1 п.м. составил 70 кг, песка 110 кг, что соответствует 8 % по весу затвердевшего цементно-песчаного раствора в общем объеме закрепленного грунтового массива.
3. Грунт принял расчетный объем воды, пробы грунта, отобранные с различных глубин, имели степень водонасыщения Sr> 0,8; по данным геодезического мониторинга вертикальных перемещений незагруженного штампа на закрепленном основании выявлено не было.
4. Для дальнейших расчетов основания по второй группе предельных состояний было рекомендовано принять модуль деформации закрепленного массива в водонасыщенном состоянии Esat= 15 МПа.
Список литературы
1. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. 528 с.
2. Рекомендации по проектированию закрепленных силикатизацией массивов лессовых просадочных грунтов. М.: НИИОСП, 1980. 49с.
3. Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов из цементогрунта. М.: НИИОСП, 1986. 71 с.
4. Прокопова М.В., Лукьянова Г.В. О возможных изменениях свойств грунтов при увеличении уровня подземных вод // Сб. науч. тр. междунар. конф. «Строительство-20П». Ростов н/Д: РГСУ, 2011. С. 137.
5. Прокопова М.В., Прокопов А.Ю., Жур В.Н. Усиление просадоч-ных грунтов под существующей застройкой г. Ростова-на-Дону // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. №4. С. 79 - 87.
6. Реконструкция МБУЗ «Городская больница № 1 им. Н.А. Семашко г. Ростова-на-Дону. Технический отчёт об инженерно-геологических изысканиях. Шифр № МП84. Ростов н/Д: ООО «Архитектурное наследие», 2014.
7. Прокопов А.Ю., Жур В.Н., Рубцова Я.С. Проблемы обеспечения безопасности городской застройки на подработанных территориях Восточного Донбасса // Сергеевские чтения. Инженерная геология и геоэкология. Фундаментальные проблемы и прикладные задачи. Вып. 18. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (24-25 марта 2016 г.). М.: РУДН, 2016. С. 346 - 351.
8. Моделирование работы оснований фундаментов, сложенных про-садочными грунтами / М.В. Прокопова, П.П. Семещук, Е.К. Пилягина, А.П. Макаренко // Сб. науч. тр. конф. «Транспорт: наука, образования, производство». 23-26 апреля 2019, Ростов н/Д: РГУПС. 2019. С. 164 - 167.
9. Устройство для испытания грунтов, армированных цементно-песчаным раствором: пат.160099 РФ. Опубл. 10.03.2016. Бюл. №7.
10. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика / Н.М. Горбунов-Посадов [и др.]/ под ред. Е.А. Сорочана, Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.
Прокопов Альберт Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prokopov72@rambler.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Сычев Илья Владимирович, ассистент, ilya.sychev88@gmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
NATURAL TESTS OF CLAY SOILSREINFORCED WITH CEMENT-SAND MORTAR
A. Yu. Prokopov, I.V. Sychev
In areas composed of subsiding soils, during the construction of buildings and structures, the problem of ensuring the reliability of the foundation arises, for which they resort to using various methods offixing the soils. This article discusses the best practices for consolidating clay subsidence soils and a new patented method for assessing the quality of consolidation using large area dies with preliminary soaking of the fixed base.
Key words: subsidence soils, soil reinforcement, cementation, die tests, quality control.
Prokopov Albert Yurievich, doctor of technical sciences, full professor,head of chair, prokopov72@rambler.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Sychev Ilya Vladimirovich, assistant, ilya. sychev88@gmail. com, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University.
Reference
1. Tsytovich N. A. soil Mechanics. Moscow: Higher school, 1983, 528 p.
2. Recommendations for the design of loess subsidence soil arrays fixed by silicatiza-tion. Moscow: NIIOSP, 1980, 49 p.
3. Recommendations for the design and construction of foundations made of cement. Moscow: NIIOSP, 1986, 71 p.
4. Prokopova M. V., Lukyanova G. V. on possible changes in soil properties when the level of underground water increases // SB. nauch. Tr. mezhdunar.konf. "Construction-2011". Rostov n / A: RSSU, 2011. P. 137.
5. Prokopova M. V., Prokopov A. Yu., Zhur V. N. Strengthening of subsidence soils under existing buildings in Rostov-on-don // Proceedings of the Rostov state University of railway transport. 2016. no. 4. Pp. 79-87.
6. Reconstruction of MBUZ " city hospital No. 1 named after N. A. Semashko in Rostov-on-don. Technical report on engineering and geological surveys. Code number MP84. Rostov n/A: Architectural heritage LLC, 2014.
7. Prokopov A. Yu., Zhur V. N., RubtsovaYa. s. Problems of ensuring the safety of urban development in the sub-developed territories of Eastern Donbass / / sergeyevsky readings. Engineering Geology and Geoecology. Fundamental problems and applied problems. Issue 18. Materials of the annual session of the scientific Council of the Russian Academy of Sciences on problems of Geoecology, engineering Geology and hydrogeology (March 24-25, 2016). Moscow: RUDN, 2016.Pp. 346 - 351.
8. Modeling the work of the foundations of foundations stacked with subsidence soil / M. V. Prokopova, P. p. Semeshchuk, E. K. Pilyagina, A. p. Makarenko // SB. nauch. Tr. Conf. "Transport: science, education, production". April 23-26, 2019, Rostov n/A: RGUPS. 2019. Pp. 164-167.
9. Device for testing soils reinforced with cement-sand solution: Pat. 160099 RF. Publ. 10.03.2016. Bul. No. 7.
10. Foundations, foundations and underground structures. Handbook of the designer / N. M. Gorbunov-Posadov [et al.] / ed. E. A. So-Roch, Yu. g. Trofimenkov. M.: stroizdat, 1985. 480 p.
