CC BY
17Оптимизация параметров расчетных схем оснований, усиленных методом «Геокомпозит», с целью снижения рисков сверхнормативных осадок
Чунюк Дмитрий Юрьевич
к.т.н., доцент, заведующий кафедрой механики грунтов и геотехники, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», KafedraMGG@mgsu.ru
Сельвиян Серафима Михайловна
преподаватель, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», SelviyanSM@mgsu.ru
Целью данной статьи является исследование методов моделирования закрепления грунта методом «Геокомпозит» в новом строительстве. Основной задачей было получение расчетной схемы, которая давала бы наиболее достоверные результаты осадки сооружения. В данной статье, на примере реального объекта, была получена расчетная схема, при использовании которой, мы получаем результаты близкие к значениям геомониторинга.
Целью поставленной в статье задачи было моделирование закрепленного грунта несколькими независимыми методами в программном комплексе Plaxis 2D и проверка сходимости полученных результатов с результатами геотехнического мониторинга на объекте строительства. Проведение данных исследований позволило определить оптимальные параметры расчета оснований закрепленных методом Геокомпозит соответствующие натурным наблюдениям.
Мониторинг проводился с целью контроля осадочных процессов в основании фундаментов возводимого объекта, сравнения замеренных величин деформаций с расчетными и предельно допустимыми.
Ключевые слова: метод «Геокомпозит», укрепление основания, инъецирование, гидроразрыв, геотехнический массив.
При моделирование в программном комплексе Р^э 2й наиболее достоверные результаты осадки сооружения получены при задании грунта, закрепленного методом «Геокомпозит», в виде объемного элемента с увеличенным модулем деформации.
Модуль деформации закрепленного массива должен подбираться из условия допустимых осадок для нового сооружения.
Предварительная оценка модуля деформации укрепленного массива грунта на этапе проектирования выполняется по изменению пористости грунта естественного сложения на основании оценки включения в массив дополнительного объема цементного раствора.
Еще с XVIII века люди в качестве изменения физико-механических характеристик грунтов основания применяли уплотнение грунтов под строительство. Начиная с XX века, грунты стали усиливать с помощью изменения их состава различными способами. Со временем и научно-техническим прогрессом появилась наука - техническая мелиорация грунта.
В технической мелиорации принято выделять два основных класса методов: «первые направлены на перемещение и переработку грунтов в целях получения грунтовых материалов, а вторые -на преобразование пород на месте их естественного залегания». Среди второго класса методов выделяются следующие группы: обезвоживание, куда входят гравитационное дренирование и физико-химическое дренирование, уплотнение, разделяющееся на механическое и инъекционное уплотнение, и последняя группа - упрочнение, как инъекционное, так и с помощью физических полей.
Все это приводит к тому, что на базе природного основания с помощью улучшения свойств грунтов методом мелиорации создается новый преобразованный массив служащий основанием для будущего строительства. В качестве одного из таких методов нами будет рассмотрен метод «Геокомпозит».
Метод «Геокомпозит» основан на управляемом инъецировании цементного раствора в грунты с низкими деформационно-прочностными показателями. Геокомпозит является структурно-неоднородной средой, где матрицей являются грунты, а включениями - армирующие элементы. Любые неоднородные грунты естественного сложения
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
сч о сч
о ш Ш X
<
т о х
X
можно рассматривать как геокомпозит природного происхождения.
Задачей метода «Геокомпозит» является создание геотехногенного массива, с повышенной несущей способностью и улучшенными деформационными свойствами.
Одним из основных плюсов метода является возможность его применения в самых различных природных дисперсных грунтах: глинистых, суглинистых, супесчаных, песчаных, заторфованных и тд.
В несвязных грунтах, например песках, вблизи инъектора образуется область занятая цементом, напоминающая сваю (объемный элемент). При гидроразрыве в несвязных грунтах в уплотняемой толще образуются длинные языки, армирующие массив в радиусе 2 метров. Таким образом, в несвязных грунтах формируется свая определенного диаметра (до 0,7 м) с армирующими корневидными элементами.
ИГЭ--1-Е=8-МПаЦ
ИГЭ-5-Е=22-МПаЦ
ИГЭ-6-Е=26-МПвЦ
№2
ИГЭ-1-Е-а-МПаЦ
Геокомпозит-Е-27-МПаЦ
ИГЭ-5-Е-22-М ПаЦ
ИГЭ-&-Е-2б-МПаЦ
№3
Рис. 1. Распределение элементов геокомпозита в песчаном грунте
Процессы происходящие при инъецированные раствора методом «Геокомпозит» не изучены, в частности: необходимый шаг инъекторов в плане; количество штуцеров на инъекторе; давление подачи раствора; толщина прослоек; модуль закрепления уплотненного грунта в процессе гидроразрыва.
Для изучения данных вопросов была создана расчетная схема, в которой моделировались следующие расчетные случаи:
1. Грунты заданы в естественном состоянии;
2. Геокомпозит задан объемным элементом с модулем деформации 27 МПа;
3. Армирующие элементы заданы как прослойки бетонной смеси толщиной 5 см с шагом 30 см;
4. Армирующие элементы заданы как прослойки бетонной смеси толщиной 10 см с шагом 30
см;
5. Армирующие элементы заданы как прослойки бетонной смеси толщиной 5 см с шагом 30 см, а модуль деформации грунта между элементами увеличен в 2 раза.
ИГЭ--1-Е-8-МПа!
Пи рог-5-см.-Модул ь-грунта-ме;кду-слоями-бетома€=8-МПаЧ1
ИГЭ-5-Е-22-МПаЦ
ИГЭ-6-Е=2&-МПаЦ
№4
№5
Согласно расчетам, были получены следующие значения деформаций (табл. 1).
Таблица 1
№ расчетной ситуации Осадка, см
1 19,62 см
2 12, 85см
3 17,11см
4 15,95см.
5 13,26см
Результаты численных расчетов сопоставлялись с данными мониторинга на опытной площадке расположенной в городе Москве.
Согласно инженерно-геологическим изысканиям, в геологическом строении исследуемой площадки до разведанной глубины 50,0 м принимают участие современные техногенные грунты верхнечетвертичные аллювиальные отложения (aQIII), а также верхне-, среднеюрские отложениями ^3, J2-3). Специфическими грунтами на площадке строительства жилого комплекса являются распространенные повсеместно в верхней части разреза насыпные грунты (ИГЭ-1, 1а, 1б), мощность которых по пройденным скважинам в отдельных случаях достигает 8,7 м.
Насыпные грунты представлены песками средней крупности и, реже, песчано-глинистыми грунтами с включениями строительного мусора, железного лома, обломков бетона.
Использование обладающих указанными характеристиками насыпных грунтов в состоянии их естественного залегания в качестве основания под фундаментные плиты объектов проектируемого комплекса было признано недопустимым.
В качестве мероприятий по обеспечению необходимой несущей способности грунта основания был выбран способ укрепления грунта методом «Геокомпозит».
Согласно проекту закрепление грунтов производится 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).
Работы по закреплению грунтов выполняются в следующей последовательности.
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.
После устройства фундаментной плиты и выполнения обратной засыпки, по периметру здания создается вертикальный защитный экран, целью которого является обеспечения оптимальных условий для уплотнения и закрепления насыпных грунтов под плитными фундаментами.
Вертикальный защитный экран создается на глубину закрепляемого массива (до 4,0-х м от низа подбетонки плитного фундамента высотного корпуса 1 и до 1,5 м от низа подбетонки плитного фундамента двухэтажного гаража) путем нагнетания в грунт через инъекторы, расположенные в один ряд по периметру закрепляемой зоны с шагом 2,0 м, цементного раствора в проектном количестве.
Инъекторы неизвлекаемые, что позволяет выполнить дополнительное армирование грунта.
Состав нагнетаемого в грунт раствора как при устройстве защитного экрана, так и при закреплении грунтов в основании фундаментных плит при водоцементном отношении В/Ц = 0,8 следующий: цемент М500 - 895 кг; вода - 716 л; хлористый кальций - 9 кг.
Цементный раствор приготавливается непосредственно перед нагнетанием в грунт и непрерывно перемешиваться вплоть до момента его поступления в скважину.
Модуль деформаций закрепленного грунта необходимый для обеспечения допустимых перемещений, полученных методом послойного суммирования согласно СП 22.13330.2016, вновь возводимого сооружения по расчетам должен составлять 27 Мпа.
При использовании метода Геокомпозит очень сложно предугадать распределение армирующих элементов, и как следствие невозможно правильно смоделировать закрепленное основание в программных комплексах, основанных на методе МКЭ.
В соответствии с законом Терцаги деформации грунта в зоне закрепленной методом Геокомпозит будут происходить вследствие изменения его объема за счет уменьшения пористости при увеличении уплотняющего давления, а объем твердых частиц грунта при этом останется практически неизменным.
ео
ем
©
1в
\ 1
У_2 '
-
х х О го А С.
X
го т
о
Р
Рис 2. Компрессионная кривая: 1 - нагрузка; 2 коэффициент пористости; Р - давление.
Р
разгрузка; е
м о м
сч о сч
о ш т
X
<
т О X X
Зависимость изменения коэффициента пористости от действующего давления при компрессионном сжатии грунта изображается компрессионной кривой (рис. 1а). Деформации начинаются с момента разрушения структурных связей или с момента исчерпания структурной прочности грунта. После этого деформации грунта происходят исключительно за счет его уплотнения, т.е. изменения пористости.
Предварительная оценка модуля деформации укрепленного массива грунта на этапе проектирования выполняется по изменению пористости грунта естественного сложения на основании оценки включения в массив дополнительного объема цементного раствора. Значения модуля деформации в этом случае определяют по графикам на рисунке 1б на основании значения требуемой интегральной пористости массива с учетом добавления цементного камня в расчетном объеме и измененной пористости грунта внутри участка укрепления.
За весь период наблюдений максимальная осадка корпуса 1, зафиксированная по марке № 91 (торец корпуса), составила 11,63 см, осадка марки 101 (центр корпуса) - 12,06 см.
Согласно данным мониторинга осадки корпуса 1 и примыкающей к нему автостоянки увеличивались по мере увеличения нагрузки на основание и в настоящее время находятся в стадии их дальнейшего развития. Осадки относительно равномерные.
План расположения деформационных марок показан на рис.4.
Рис. 3
Целью поставленной в статье задачи было моделирование закрепленного грунта несколькими независимыми методами в программном комплексе Plaxis 2D и проверка сходимости полученных результатов с результатами геотехнического мониторинга на объекте строительства. Проведение данных исследований позволило определить оптимальные параметры расчета оснований закрепленных методом Геокомпозит соответствующие натурным наблюдениям.
Мониторинг проводился с целью контроля осадочных процессов в основании фундаментов возводимого объекта, сравнения замеренных величин деформаций с расчетными и предельно допустимыми.
Рис. 4. План расположения деформационных марок
Выводы:
При моделирование в программном комплексе Plaxis 2D наиболее достоверные результаты осадки сооружения получены при задании грунта, закрепленного методом «Геокомпозит», в виде объемного элемента с увеличенным модулем деформации.
Модуль деформации закрепленного массива должен подбираться из условия допустимых осадок для нового сооружения.
Предварительная оценка модуля деформации укрепленного массива грунта на этапе проектирования выполняется по изменению пористости грунта естественного сложения на основании оценки включения в массив дополнительного объема цементного раствора.
Литература
1. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. М., 2011 г.
2. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства.
М., 1997 г.
3. 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. 146-148.
4. Чунюк Д.Ю., Ярных В.Ф. Снижение геотехнических рисков в строительстве на примере расчета и проектирования глубоких котлованов в стесненных условиях мегаполисов. В мире научных открытий. 2010. № 1-4 (7) . С. 193-199.
5. Серова Е.А., Чунюк Д.Ю. Качественный анализ составляющих геотехнического риска при строительстве подземных и заглубленных сооружений. Вестник МГСУ. 2010. № 4-4. С. 136-143.
6. Рекомендации по проектированию и устройству оснований и фундаментов при возведении зданий вблизи существующих в условиях плотной застройки в г. Москве. Москомархитектура. М., 1999г.
7. СП 14.13330.2011 Строительство в сейсмических районах. М., 2011 г.
References
1.SP 22.13330.2011. Foundations of buildings and structures. M., 2011 2.SP 11-105-97. Engineering and geological surveys for construction. M., 1997
3. Znamenskiy V.V., Morozov E.B., Chunyuk D.Yu., Vlasov D.A. Efficiency of
using the "Geocomposite" technology to reduce the settlement of buildings located in the zone of influence of the excavation 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.S. 146-148.
4. Chunyuk D.Yu., Yarnykh V.F. Reducing geotechnical risks in construction
by the example of calculating and designing deep pits in the cramped conditions of megalopolises. In the world of scientific discoveries. 2010. No. 1-4 (7). S. 193-199.
5. Serova E.A., Chunyuk D.Yu. Qualitative analysis of the components of
geotechnical risk in the construction of underground and buried structures. MGSU Bulletin. 2010. No. 4-4. S. 136-143.
6. Recommendations for the design and construction of foundations and
foundations for the construction of buildings near existing in a dense building in Moscow. Moskomarkhitektura. M., 1999.
7. SP 14.13330.2011 Construction in seismic regions. M., 2011
Optimization of the parameters of the design schemes of foundations reinforced by the "Geocomposite" method in order to reduce the risks of excess sediment Chunyuk D.Yu., Selviyan S.M.
National Research Moscow State University of Civil Engineering JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90
The purpose of this article is to study methods for modeling soil consolidation by the "Geocomposite" method in new construction. The main task was to obtain a design scheme that would give the most reliable results of the structure settlement. In this article, using a real object as an example, a design scheme was obtained, when using which, we obtain results close to the values of geomonitoring.
The goal of the problem posed in the article was to model the fixed soil using several independent methods in the Plaxis 2D software package and check the convergence of the results obtained with the results of geotechnical monitoring at the construction site. Carrying out these studies made it possible to determine the optimal parameters for calculating the bases fixed by the Geocomposite method corresponding to field observations.
The monitoring was carried out in order to control sedimentary processes at the base of the foundations of the object being built, to compare the measured values of deformations with the calculated and maximum permissible ones.
Keywords: Geocomposite method, foundation strengthening, injection, hydraulic fracturing, geotechnical massif.
I
X
ro m
о
to о to
