CC BY
61
Сонин В.В. ©
Магистрант, кафедра "Строительство уникальных зданий и сооружений", Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ УСИЛЕНИЯ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ
НАСЫПЕЙ
Аннотация
Данная статья посвящена описанию и обзору технологии грунтовых свай в геосинтетической оболочке на основе уменьшения нагрузки на слабые грунты без существенного изменения их структуры.
Ключевые слова: инженерно-геологические изыскания, грунтовые сваи, слабые грунты, деформация грунта, геотехнический расчет.
Keywords: engineering-geological surveys, ground piles, soft ground, the deformation of the soil, geotechnical calculation.
Введение
Исключительно важной и ответственной системой, определяющей будущую долговечность и эксплуатационную надежность зданий и сооружений, является основание. Не являются исключением и автомобильные дороги. В общем объеме строительных работ подготовка оснований и насыпей имеет преобладающее значение, поэтому крайне важен процесс проектирования с учётом всех данных, полученных в ходе инженерных изысканий [1,44; 2,72; 3,73; 4,103].
Для слабых грунтов, к которым относятся: торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты (с коэффициентом консистенции более 0,5), иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков, особенно важен учет их физико-механических свойств [5,1; 6,73; 7,143; 8,1683; 9, 210]. Данные виды пород в составе четвертичных отложений широко распространены на территории северо-западного региона Российской Федерации, что подчеркивает важность умения эффективно и экономично выбирать метод работы на слабом основании.
Проектирование конструкций насыпей осуществляется на основании большого количества факторов, таких как категория проектируемой автомобильной дороги, тип дорожной одежды, свойства и характеристики грунтов, слагающих основание [1, 37;10,27; 11,32; 12; 13,193; 14, 93].
При выборе принципа строительства автомобильных дорог на слабых грунтах делают выбор из двух методов:
1. замена слабого грунта;
2. использование слабого грунта в качестве основания насыпи.
Особенность второго метода является необходимость предварительного проведения укрепляющих мероприятий, способствующих повышению устойчивости слабого основания и позволяющих проводить строительство безопасных автомобильных дорог.
Усиление устойчивости слабых оснований для их последующего использования в качестве основания насыпи основывается на следующих принципах:
• использование более прочных материалов и материалов, имеющих меньший удельный вес.
• повышение прочности на сдвиг;
• передача нагрузки на более прочные слои основания;
• армирование насыпи и/или её основания;
© Сонин В.В., 2016 г.
• обеспечение поперечной устойчивости;
Основная часть
Рассмотрим более подробно использование вышеперечисленных принципов на практике [1,77; 3,47; 15,327; 16,110; 17,68]:
1. Применение материалов, имеющих меньший удельный вес.
Метод применяется для повышения устойчивости оснований, снижения величины осадки путём использования облегченных материалов взамен традиционных. Его сущность состоит в уменьшении величины удельного веса насыпи путем использования при сооружении материалов с плотностью гораздо ниже природного грунта, таких как легкие шлаки, пенополистирол, пенобетоны и т.д. Недостатком данного метода являются высокие затраты на данные типы материалов, поэтому применение легкой насыпи экономически обоснован при невозможности, либо высокой стоимости прочих методов повышения устойчивости насыпи.
2. Армирование насыпи или её основания.
Метод связан с использованием геосинтетических материалов (в том числе армогрунтовых сеток, грунтовых гвоздей, геотекстили и геосетки и пр.): стабилизация слабых оснований геосинтетический тканью и усиление откосов и тела насыпи армирующими геосинтетическими материалами. Технология выравнивает значения осадок по площади насыпи, что в свою очередь приводит к сокращению сроков строительства, сокращению количества привозных грунтовых материалов, повышает эксплуатационную надежность насыпи.
3. Обеспечение поперечной устойчивости;
Поперечная устойчивость достигается за счёт устройства боковых пригрузочных призм (берм). Данный метод экономически и технически оправдан при наличии достаточной полосы отвода земли и наличии большого объема грунта вблизи от района производства работ.
4. Повышение прочности насыпи на сдвиг.
Данный метод широко распространен и представлен рядом технологий, таких как:
• использование ленточных геодрен. Применение технологии строительства на слабых грунтах с использованием ленточных геодрен позволяет ускорить консолидацию основания за счет сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи;
• строительство с применением «пригруза». Технология применяется при коротких сроках строительства дорожных насыпей. Применяется при необходимости в получении полной расчетной осадки насыпи в период строительства, для ускорения консолидации грунтов основания насыпи, повышения ее устойчивости и снижения осадок в процессе эксплуатации;
• струйная цементация "jet grouting". Метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора, что ведёт к образованию в грунтовом массиве грунтоцементных свай, диаметром 600-2000 мм. Технология позволяет уровнять прочностные и деформационные свойства грунта, путем создания единого геотехнического массива. Выделяют следующие преимущества технологии струйной цементации: высокая скорость работ, возможность выполнения работ в ограниченных условиях (высота от 2 м, ширина от 1,5 м), отсутствие динамических воздействий.
• химическое закрепление грунтов. При строительстве дорожных насыпей закрепляют грунты химическими методами с целью защиты от возможных осадок. Процесс заключается в нагнетании в грунт под давлением (через систему инъекторов или скважин) водных растворов силиката натрия (жидкого стекла) с отвердителем или синтетической смолы с отвердителем. Химическое закрепление долговечно и имеет ряд преимуществ, таких как простота производства работ; портативность применяемого оборудования; короткие сроки выполнения работ.
5. Передача нагрузки на более прочные слои основания;
В случае, если непосредственно под слабыми грунтами залегают прочные основания, способные выдержать требуемую нагрузку, то целесообразно решение о применении свайной технологии укрепления дорожной насыпи. Технология закрепления слабых и неустойчивых грунтов с применением свай (забивные, буронабивные) общепризнана и играет важную роль в фундаментостроении благодаря возможности возведения сооружений на слабых грунтах, не обладающей необходимой несущей способностью. Основание насыпи устраивается в виде свай, опирающихся на малосжимаемые прочные грунты, которые могут быть объединены по верху ростверком из высокопрочного геосинтетического материала. Конструкция насыпи на свайном основании с армогрунтовым ростверком позволяет разгрузить слабые грунты, залегающие в основании насыпи, и передать основную часть нагрузки на подстилающие прочные грунты.
Основной целью данной статьи является описание и обзор технологии грунтовых свай в геосинтетической оболочке [13,190; 15,333]. В её основе лежит уменьшение нагрузки на слабые грунты без существенного изменения их структуры. Грунтовая свая является деформируемой системой, ее жесткость обеспечивается геосинтетическим материалом. Особенностью системы свай в геосинтетической оболочке является то, что направленным наружу радиальным горизонтальным напряжениям в сваях противодействует реакция отпора грунтового основания, и радиальное сопротивление армирующей геотекстильной оболочки. Тангенциальные растягивающие усилия возникают в геооболочке, что обеспечивает радиальный отпор расширению заполнителя свай, обеспечивая равновесие системы. Благодаря тому, что оболочка «поддерживает» внутреннее наполнение сваи, применение таких свай оправдано и в чрезвычайно слабых грунтах. Подобные сваи представляют собой усовершенствованную систему устройства песчаных и щебёночных свай в грунтах основания с низкой несущей способностью.
Помимо вышеперечисленного, сваи в геосинтетической оболочке работают по принципу вертикальных геодрен, что значительно ускоряет процесс осушения грунтов и ускорения консолидации. Благодаря этому, осадки сооружения на стадии эксплуатации уменьшены, по сравнению с традиционными методами, либо отсутствуют вовсе. Усиление оснований песчаными или щебеночными сваями в геотекстильной оболочке находит все более широкое применение на переувлажненных и слабых грунтах, в карстовых районах.
Возможны два варианта установки грунтовых свай в геотекстильной оболочке:
1. Метод выемки грунта при помощи шнека. При методе выемки грунта открытая металлическая труба погружается в несущий слой, содержимое удаляется с помощью шнека на дневную поверхность. Затем в установленную стальную трубу, погруженную в грунт, закладывают предварительно сформированный в виде рукава геотекстиль. Внутренний объем рукава заполняют наполнителем, после чего извлекают обсадную трубу и уплотняют песок. Метод выемки грунта при помощи шнека рекомендуется применять для грунтов с высоким сопротивлением внедрению или при условии работ в области городской застройки в целях уменьшения вибрационного воздействия на близлежащие сооружения.
2. Метод вибрационного замещения. В данному методе стальная труба с двумя основными заслонками, вибрируя, погружается в несущий слой, вытесняя мягкий грунт. После извлечения трубы под действием вибрации в сваю в оболочке из геосинтетического материала помещается заполнитель. В качестве преимущества данного метода можно выделить эффект от вибрационного воздействия оборудования, увеличивающий консолидацию грунтового основания между сваями.
Варианты заполнения тела сваи могут быть различными, но в обязательном порядке включают в себя материал с повышенной дренажной способностью - гравий, песок, щебень, дробленый гравий и т.д.).
Поскольку на грунтовые сваи предполагается передача больших нагрузок от конструкций, важное значение имеет выбор геосинтетического материала.
В качестве оболочки применяются геоткани, треугольные или прямоугольные георешетки или геокомпозиты.
Геосинтетические оболочки для свай производятся из полимерного высокомодульного сырья по двум технологиям:
1. Со швами по длине оболочки. Используются в случаях, когда прочность материала не играет определяющей роли, а также в ситуациях кратковременной работы материала (например, в качестве оболочек для буронабивных свай). Геооболочки при этом производятся из полиэфира или полипропилена.
2. По бесшовной технологии, что позволяет производить высокопрочный продукт без потери прочности в швах. Применяются в качестве бесшовных несущих геооболочек песчаных или щебёночных свай. Чаще всего сырьём для производства бесшовных геооболочек является полиэфир.
Геооболочки производятся в соответствии с требованиями проекта по геометрическим размерам, прочности, максимально допустимому относительному удлинению и другим параметрам.
Выводы
Рассматриваемая тематика не является достаточно изученной и требует дополнительного исследования для выявления закономерностей и последующего успешного применения данной технологии в практике усиления слабых оснований при строительстве дорожных насыпей. Применение данного подхода находится в непосредственной зависимости от качества проведенных инженерно-геологических изысканий.
Литература
1. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах / Минтранс РФ. Федеральное дорожное агентство. - М.: 2004. - 252 стр.
2. Лазарев Ю.Г. Современное состояние проблемы совершенствования транспортной инфраструктуры / Ю.Г. Лазарев, Е.Б. Синицына //Технико - технологические проблемы сервиса. - СПб.: 2013.- № 4(26) - с. 71-74.
3. Лазарев Ю.Г., Новик А.Н., и др., Изыскания и проектирование транспортных сооружений /Ю.Г. Лазарев, А.Н. Новик, А.А. Шибко, В.Г. Терентьев, С.А. Сидоров, С.А. Уколов, В.А. Трепалин /Учебное пособие, СПб.: ВАТТ, 2008, 392 с.
4. Лазарев Ю.Г., Громов В.А. Современные требования к обеспечению потребительских и эксплуатационных свойств автомобильных дорог // В сборнике: Инновационные технологии в мостостроении и дорожной инфраструктуре. Материалы межвузовской научно- практической конференции.2014. С.102-109.
5. Золотарь И.А., Собко Г.И., Лазарев Ю.Г., Прибор для определения коэффициента влагопроводности талых связных грунтов нарушенной структуры нестационарным методом. -Патент на полезную модель RUS 6627 21.04.1997.
6. Лазарев Ю.Г., Транспортная инфраструктура (Автомобильные дороги). Монография - LAP LAMBERT, Германия: 2015, 173 с.
7. Лазарев Ю.Г., Обоснование деформационных характеристик укрепленных материалов дорожной одежды на участках построечных дорог. / Ю.Г. Лазарев, П.А. Петухов, Е.Н. Зарецкая// Вестник гражданских инженеров. 2015. № 4 (51). С. 140-146.
8. Lazarev Yu.G., Research of processes of improving soil properties based on complex ash cement binder /. Yu.G. Lazarev, G. Sobko, M. Chakir // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vols. 584-586. Pp. 1681-1686.
9. Lazarev Yu.G., Effectiveness of Soil Reinforcement Based on Complex Ash-Cement Bonder Applied Mechanics and Materials / Yu.G. Lazarev, M. F. Chakir, E. N. Syhareva, Y. A. Ibraeva // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vols. 725-726. Pp. 208-213.
10. Лазарев Ю. Г., Собко Г. И. Реконструкция автомобильных дорог: учебное пособие. СПб. СПбГАСУ. 2013. 93 с.
11. Медрес Е. П., Евтюков С. А. Эффективность применения технологий строительства дорожных насыпей на слабых грунтах/ Мир дорог, 2013, № 66, С.32.
12. Горшков А., Ватин Н., Немова Д. Строительная физика/ Энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций по стандартам Финляндии. Saarbrücken., 2014.
13. Огаркова М.М., Шенкман Р.И. Применение грунтовых свай в оболочке из геосинтетических материалов в геологических условиях города Перми / Вестник ПНИПУ. Строительство и
архитектура., 2014, № 1, 187-199 стр.
14. Лазарев Ю.Г. Основы совершенствования транспортной инфраструктуры // Технико -технологические проблемы сервиса. СПб.: 2013. № 2(24). С. 92-93.
15. Лазарев Ю.Г., Строительство автомобильных дорог и аэродромов: учебное пособие. / Ю.Г. Лазарев, А.Н. Новик, А.А. Шибко, С.В. Алексеев, Н.В. Ворончихин, А.Т. Змеев, С.А. Уколов, В.А. Трепалин, С.В. Дахин, В.Т. Колесников, Д.Л. Симонов // СПб. : ВАТТ. 2013. 528 с.
16. Лазарев Ю.Г., Анализ условий создания предприятий и организаций производственной базы дорожного строительства / Ю.Г. Лазарев, А. Громов// Вестник гражданских инженеров. 2014. № 1 (42). С. 109-111.
17. Рустенбек С.Д. Формирование базы данных для тестирования дорожных одежд/ С.Д. Рустенбек, Д.Ю. Кириллова, Ю.Г. Лазарев// Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 2-2. С. 68- 72.
