0Определение сходимости результатов численного
моделирования с геомониторингом
при закреплении грунтов методом Геокомпозит
Чунюк Дмитрий Юрьевич
заведующий кафедрой механики грунтов и геотехники, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), KafedraMGG@mgsu.ru
Сельвиян Серафима Михайловна
Преподаватель кафедры Механики грунтов и геотехники Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), SelviyanSM@mgsu.ru
Строительство в мегаполисах в последние годы становится очень сложной задачей из-за инженерно-геологических условий. В данной статье на примере объекта в городе Москве, мы разберем правильность моделирования грунтов при их закреплении Геокомпозитом. При выборе метода закрепления, не только на этапе проекта, но и на этапе строительства, очень сложно определить какими именно характеристиками будет обладать закрепленный грунт. Для этого нами рассмотрено несколько вариантов моделирования грунта и произведено сравнение с данными мониторинга для выбора самого приближенного варианта. Данные мониторинга получены для уже построенного и эксплуатируемого объекта.
Ключевые слова: слабые грунты, закрепление грунтов, численное моделирование.
Введение
Современное строительство является особо сложной и трудоемкой задачей. Наряду с тем, что все большее количество объектов располагается в условиях плотной городской застройки, часть из них строится в сложных грунтовых условиях. Еще на стадии предпроекта, при инженерно-геологических изысканиях, проектировщики должны решить для себя какие именно мероприятия по уменьшению негативных факторов они примут. Это связано с тем, что от количества усложняющий условий строительства зависит риск возникновения чрезвычайной ситуации или аварии. Поэтому уже на стадии проектирования, особенно при численных расчетах, производится подбор таких мероприятий. Например, при строительстве на слабых грунтах, должны быть прописаны мероприятия по усилению грунтов, замене слабого слоя или использования свайного фундамента. Все мероприятия подбираются для каждого объекта отдельно и не могут быть одинаковыми для всего строительства.
В связи с этим все большее распространение получает метод закрепления грунтов с помощью инъецирования. Метод закрепления грунтов впервые был применен еще в 1924 году при строительстве Волховской плотины. В процессе развития строительства стали применяться различные методы закрепления химическим закреплением, силикатами, полимерами и другими веществами. Но все эти методы не очень хорошо себя зарекомендовали при укреплении глин и суглинков. Поэтому в последнее время наиболее часто использующемся методом является закрепление грунтов Гидроразрывом.
Данная технология имеет широкий спектр применения, является экономически эффективной и позволяет производить закрепление грунтов в режиме компрессии. При больших областях закрепления данная технология приводит к сжатию скелета грунта. Это происходит из за уменьшения пор в грунте и повышения плотности с увеличением прочностных характеристик.
При использовании метода Геокомпозит, важно помнить, что не все растворы пригодны для инъци-рования. Например, применение в песчаных грунтах цементных или химических растворов малоэффективно, из-за самопроизвольной ликвидации разрыва, так как раствор выжимается в поры вмещающего грунта. В глинистых грунтах применение этого раствора приведет к образованию разрывов с маленькими сечениями, до нескольких мм.
О *
О X
о
3 *
8)
с т ■и о
5
т о а г
о т
09 8)
Методы:
Для проведения расчетов с применением метода конечных элементов рассмотри жилой комплекс с автостоянкой, расположенный в городе Москве, ЮАО. Рассматриваемый объект представляет собой жилое здание сложной формы, состоящее из 11-ти разделенных деформационными швами блоков, 6 из которых многоэтажные жилые корпуса по 26 этажей и 5 - одно-, двухэтажные блоки, выполненные в виде стилобатной части между высотными жилыми корпусами и предназначенные под автостоянку и торговые помещения.
Конструктивная схема здания - полнокаркасная рамная система из монолитных железобетонных стен, колонн и безбалочных перекрытий. Каждый блок здания имеет форму параллелограмма с размерами 54*18м, с высотой + 78,95м.
Площадка строительства сложена специфическими грунтами (иГЭ-1, 1а, 1б), мощность которых по пройденным скважинам в отдельных случаях достигает 8,7м. Основные физико-механические характеристики рассматриваемой площадки приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ ИГЭ Плотность грунта, г/см3 Влажность грунта, % Показатель текучести, д.е. Коэффициент пористости, д.е. Угол внутреннего трения, " Удельное сцепление, кПа Модуль деформации, МПа
р, 0,85 W к e Ф, 0,85 с, 0,85 E
ИГЭ 1б 1,92 7,02 - 0,74 35 0 30
ИГЭ 1 1,71 6,96 - 0,65 30 0 27
ИГЭ 1а 1,62 10,01 - 0,74 24 0 8
ИГЭ 2 1,72 18,35 - 0,65 27 2 23
ИГЭ 3 1,76 20,9 - 0,74 29 1 21
ИГЭ 3б 1,91 15,99 - 0,61 31 3 40
ИГЭ 4 1,72/1,80 13,53 - 0,67 32 1 24
ИГЭ 4б 1,95/1,97 14,97 - 0,51 34 2 37
ИГЭ 5 1,77/1,84 11,18 - 0,64 31 1 22
ИГЭ 5б 1,95/2,03 9,64 - 0,47 35 2 41
ИГЭ 6 1,75/1,83 9,78 - 0,63 31 0 26
ИГЭ 6б 1,96/2,08 9,82 - 0,44 35 1 41
ИГЭ 7 1,96 27,15 0,58 0,76 19 23 14
ИГЭ 8 1,98 23,90 0,32 0,69 21 30 19
ИГЭ 9 1,96 25,18 0,19 0,74 17 45 24
ИГЭ 10 1,79 43,83 0,13 1,19 20 58 22
(О
сч о сч
В целом по сложности инженерно-геологический условий площадка проектируемого строительства относится к III (сложной) категории.
После изучения физико-механических характеристик грунтов было принято решение о закреплении их методом Геокомпозит. Этот метод также называют методом Гидроразрыва. Метод Гидроразрыва основан на нагнетании грубодисперсных растворов через инъекторы или скважины под давле-
нием, что вызывает разрыв в грунте и раствор перемещаясь по скелету грунта физически воздействует на него. В режиме компрессии (без возможности бокового расширения при закреплении грунта) происходит изменение напряженно деформированного состояния грунта.
По данной технологии можно производить закрепление всех видов грунтов, кроме скальных. В несвязных грунтах (пески, супеси) при инъецировании вокруг инъектора образуется область заполняемая цементным раствором. Данная область имеет структуру, похожую на сваю с изменяющимся диаметром. Если в грунте имеются пустоты или прослойки слабого грунта с еще меньшими прочностными характеристиками, чем у закрепляемого грунта, то раствор проникает в данные области, что приводит к заполнению пустот и уплотнению слабой толщи. Таким образом в грунте возникают так называемые языки, которые могут достигать до 2 метров в длину.
Альтернативное решение, заключавшееся в замене насыпных грунтов в основании фундаментных плит на песчаные требует существенных дополнительных затрат за счет увеличения объема земляных работ, устройства ограждения котлована и необходимости организации глубинного водопони-жения. Кроме того, возникает необходимость выполнения специального геотехнического расчета для оценки влияния устройства глубокого котлована на рядом расположенную автомобильную трассу и возможное проведение мероприятий по снижению ее деформаций.
По проекту прогнозируемый модуль деформации закрепленного грунта (геокомпозита) составит Е = 27 МПа.
Закрепление грунтов должно производиться одним горизонтом по глубине. Общая мощность закрепленного грунта под фундаментной плитой высотного корпуса 1 составляет 4,0 метра, под фундаментной плитой малоэтажного гаража - 1,5 м. В зону укрепления наряду с насыпными грунтами попадает песок средней крупности, средней плотности (ИГЭ-5).
После отрывки котлована и устройства бетонной подготовки под плитные фундаменты производится погружение всех инъекторов, изготовленных из стальных труб 32х3,2 мм с перфорированной нижней частью и расположенных, преимущественно, по сетке ~2,2х2,2 м, на глубину закрепляемой зоны. Отметка верха инъекторов превышает отметку верха фундаментной плиты на 500 мм.
Состав нагнетаемого в грунт раствора как при устройстве защитного экрана, так и при закреплении грунтов в основании фундаментных плит при во-доцементном отношении В/Ц = 0,8 следующий: цемент М500 - 895 кг; вода - 716 л; хлористый кальций - 9 кг.
Нагнетание цементного раствора производится под давлением 5-15 атм. при минимальной скорости подачи раствора.
Инъекторы не извлекаемые, что позволяет выполнить дополнительное армирование грунта.
Основным вопросом, с которым сталкиваются проектировщики, какие итоговые характеристики будет иметь закрепленный грунт. Для этого были проведены в три расчета ПК Р^э 3D.
1. Геокомпозит задан как единый массив без моделирования инъекторов;
2. Расчет грунтов проводился без геокомпозита;
3. Геокомпозит задан как единый массив с моделированием инъекторами.
У
L.
Total displacements uz (scaled up 50,0 times)
aximum value = -0,1246 m (Element 23276 at Node 251) inimum value = -0,1365 m (Element 22282 at Node 297)
Рис. 2 Результат моделирования с заданием Геокомпозита объемным элементом
Рис. 1. Расчетная схема
L.
Результаты:
Результаты расчета будем рассматривать на высоте 3 этажа, 7 этажа, 18 этажа и 26 этажа. Результаты мониторинга были получены для уже построенного здания, то есть для 26 этажа. Поэтому итоговое сравнение будет проведено именно с ним.
Таблица 1
Результаты определения осадки при различных вариантах моделирования
Total displacements иг [scaled up 20,0 times)
Maximum value = -0,1838 m (Element 23722 at Node 8220) Minimum value = -0,2419 m (Element 22282 at Node 257)
3 эт 7 эт 18 эт 26 эт
1 геокомпозит 1,835 2,571 5,666 13,65
2 без композита - 2,473 9,143 24,19
3 геокомпозит с инъектором - 2,407 4,911 11,25
Сравнение мониторинг 11,9
Для первого случая. В первом случае при расчете геокомпозит задавался как единый массив. Модуль деформации грунта был задан из проекта Е=27 МПа.
После проведенного расчета при возведении здания, получено, что осадка = 13,65 см., что не превышает предельно допустимую для данного типа сооружения, равную 15,0 см.
Для второго случая был проведен расчет без закрепления грунтов. Все характеристики, задаваемые при расчете были приняты исходя из инженерно-геологических изысканий. Было получено, что без проведения мероприятий по закрепления грунтов осадка составила 24,19 см., что более, чем на 60% превышает предельно допустимую. Такое строительство является не безопасным и может привести к аварийным ситуациям, в том числе и к человеческим жертвам.
Рис. 3. Результат моделирования грунтов в естественном состоянии (без закрепления)
В случае моделирования закрепления грунтов инъекторами получено, что осадка составила 11.25 см., что не превышает предельно допустимую по СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» табл. Д.1 Приложения Д.
1_,
с
I
I .
Total displacements uz (scaled up 50,0 times)
Maximum value - -0,1037 m (Element 22386 at Node 2551) Minimum value = -0,1125 m (Element 24034 at Node 240987)
Рис. 4 Результат моделирования с заданием Геокомпозита инъектором
После сравнения с данными мониторинга (осадка 11,9 см) было получено, что лучшую сходимость результатов показало моделирование Геокомпозита с применением инъекторов.
Q я о
X
о 2 S
а
с
4 ■с о
5
ч
ф
а
Т
о ч го а
геокомпозит
без композита
геокомпозит с инъектором
(О
сч о сч
МОНИТОРИНГ
Рис. 5 Результаты осадки в сравнении с данными мониторинга
Выводы:
Моделирование инъецирования как единый массив или инъекторами показывает не сильно различные значения, вписывающиеся в нормативы. В среднем разница при таком моделировании составляет 18%. Но лучшую сходимость с результатами мониторинга (порядка 5%) показало моделирование с инъекторами. Это было достигнуто из-за дополнительного армирования грунтов, так как инъекторы не извлекаемые.
Определение осадок при расчетах является одной из основных задач, тем более при закреплении грунтов. Хотя, в рассматриваемом примере осадки для обоих вариантов моделирования не превышают предельно допустимых, в других случаях разница в 13% может существенно повлиять на принятие решений по закреплению грунтов. Такие допущения приведут к увеличению стоимости и сроков строительства, только из-за результатов моделирования.
Литература
1. Чунюк Д.Ю., Сельвиян С.М. Оптимизация параметров расчетных схем оснований, усиленных методом «Геокомпозит», с целью снижения рисков сверхнормативных осадок. Журнал: Инновации и инвестиции, № 11, 2021. С. 113-117.
2. Знаменский В.В., Морозов Е.Б., Чунюк Д.Ю., Власов Д.А. Эффективность применения технологии «Геокомпозит» для снижения осадок здания, расположенных в зоне влияния устройства котлована под новое строительство. В сборнике: Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред. Сборник материалов Всероссийской научной конференции. 2015. С. 146148.
3. Чунюк Д.Ю., Сельвиян С.М. Определение вероятности возникновения сверхнормативных деформаций зданий в зоне влияния глубоких котлованов. Экономика строительства. 2022. № 1 (73). С. 5461
4. Сельвиян С. М., Чунюк Д. Ю., Сельвиян А. О. Устройство для усиления фундаментных плит. -2020.
5. Чунюк Д. Ю., Сельвиян А. О. Возможные методы усиления фундаментных плит //Перспективы науки. - 2020. - №. 1. - С. 46-52.
6. Абелев М. Ю. и др. Проведение изысканий на застроенных территориях, в стесненных условиях и снижение геотехнических рисков //Промышленное и
гражданское строительство. - 2021. - №. 8. - С. 1826.
7. Грязнова Е. М. и др. Геотехнический мониторинг в строительстве. - 2016.
8. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под общ. ред. В.А. Ильичева, Р.А. Мангушева. — Москва : Изд-во АСВ, 2016. — 1040 с. — ISBN 978-5-4323-0191-8.
9. Захаров М.С. Инженерно-геологические и инженерно-геотехнические изыскания в строительстве : Учеб. пособие / М.С. Захаров, Р.А. Мангушев. — Москва : АСВ, 2016. — 173 с.— ISBN 978-5-43230019-5.
10.Ланис А. Л., Беляков Л. О., Овчинников С. А. Инъектор для закрепления грунтов. - 2016.
11.Nargiza A. Development of an improved two-stage technology for fixing moving soils and sands with the use of a mechano-chemical disperser //Universum: технические науки. - 2022. - №. 11-8 (104). - С. 2629.
12. Баушев В. К. Способ приготовления раствора для закрепления грунта. - 1968.
13. Ибрагимов М. Н., Сёмкин В. В., Шапошников А. В. Некоторые проблемы закрепления грунтов растворами из микроцементов //Academia. Архитектура и строительство. - 2016. - №. 4. - С. 114-120.
14. Бреннер В. А. и др. Способ закрепления грунта. - 2007.
15.Абелев М. Ю., Аверин И. В., Кораблева У. А. Экспериментальные исследования эффективности метода цементации грунтов" Геокомпозит" в основании зданий на насыпных песках //Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2015. - №. 2. - С. 1315.
16. Кругликов А. А. и др. Определение механических характеристик геокомпозита //Сборник научных трудов "Транспорт: наука, образование, производство". - 2018. - С. 284-288.
17. Косиченко Ю. М., Баев О. А. Расчетная оценка надежности конструкций противофильтрационных экранов из геокомпозитов //Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. БЕ Веденеева. - 2015. - Т. 275. - С. 6877.
Determination of the convergence of the results of numerical modeling with geomonitoring when fixing soils by the Geocomposite method Chunyuk D.Yu., Selviyan S.M.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU)
Construction in megacities in recent years has become a very difficult task due to engineering and geological conditions. In this article, using the example of an object in the city of Moscow, we will analyze the correctness of modeling soils when they are fixed with Geocomposite. When choosing a method of fixing, not only at the project stage, but also at the construction stage, it is very difficult to determine exactly what characteristics the fixed soil will have. To do this, we have considered several variants of soil modeling and compared them with monitoring data to select the most approximate option. Monitoring data was obtained for an already built and operated facility. Keywords: soft soils, soil stabilization, numerical modeling. References
1. Chunyuk D.Yu., Selviyan S.M. Optimization of parameters of design schemes of foundations strengthened by the "Geocomposite" method in order to reduce the risks of excess
settlement. Journal: Innovations and Investments, No. 11, 2021. pp. 113-117.
2. Znamensky V.V., Morozov E.B., Chunyuk D.Yu., Vlasov D.A. The
effectiveness of using the Geocomposite technology to reduce settlements of buildings located in the zone of influence of the foundation pit for new construction. In the collection: Mechanics of composite materials and structures, complex and heterogeneous media. Collection of materials of the All-Russian Scientific Conference. 2015. pp. 146-148.
3. Chunyuk D.Yu., Selviyan S.M. Determination of the probability of
occurrence of excess deformations of buildings in the zone of influence of deep pits. Economics of construction. 2022. No. 1 (73) pp. 54-61
4. Selviyan S. M., Chunyuk D. Yu., Selviyan A. O. Device for strengthening foundation slabs. - 2020.
5. Chunyuk D. Yu., Selviyan A. O. Possible methods of strengthening
foundation slabs // Perspectives of science. - 2020. - No. 1. - pp. 46-52.
6. Abelev M. Yu. et al. Conducting surveys in built-up areas, in
cramped conditions and reducing geotechnical risks // Industrial and civil construction. - 2021. - No. 8. - pp. 18-26.
7. Gryaznova E. M. et al. Geotechnical monitoring in construction. -
2016.
8. Geotechnician's Handbook. Foundations, foundations and underground structures / Ed. ed. V.A. Ilyicheva, R.A. Mangusheva. - Moscow: Publishing House ASV, 2016. - 1040 p. — ISBN 978-5-4323-0191 -8.
9. Zakharov M.S. Engineering-geological and engineering-geotechnical surveys in construction: Textbook. allowance / M.S. Zakharov, R.A. Mangushev. - Moscow: DIA, 2016. - 173 pp. -ISBN 978-5-4323-0019-5.
10. Lanis A. L., Belyakov L. O., Ovchinnikov S. A. Injector for fixing soils. - 2016.
11. Nargiza A. Development of an improved two-stage technology for fixing moving soils and sands with the use of a mechano-chemical disperser //Universum: technical sciences. - 2022. - No. 11-8 (104). - pp. 26-29.
12. Baushev V.K. Method of preparing a solution for fixing soil. - 1968.
13. Ibragimov M.N., Syomkin V.V., Shaposhnikov A.V. Some problems of fixing soils with microcement solutions //Academia. Architecture and construction. - 2016. - No. 4. - pp. 114-120.
14. Brenner V. A. et al. Method of fixing soil. - 2007.
15. Abelev M. Yu., Averin I. V., Korableva U. A. Experimental studies of the effectiveness of the "Geocomposite" soil cementation method in the foundation of buildings on bulk sand // Foundations, foundations and soil mechanics. - 2015. - No. 2. - pp. 13-15.
16. Kruglikov A. A. et al. Determination of the mechanical characteristics of a geocomposite // Collection of scientific works "Transport: science, education, production". - 2018. - P. 284-288.
17. Kosichenko Yu. M., Baev O. A. Calculation assessment of the reliability of structures of impervious screens made of geocomposites // News of the All-Russian Scientific Research Institute of Hydraulic Engineering named after. BE Vedeneeva. -2015. - T. 275. - P. 68-77.
Q *
O X 0
3
s *
8)
O T
■u o s
T
<D
a r
o
T
a
8)
