CC BY
17РАСЧЕТ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯ ЛЕССОВОГО ОСНОВАНИЯ Будикова А.М.1, Абдирайым Ш.А.2
1Будикова АйгульМолдашевна - кандидат технических наук, старший преподаватель; 2Абдирайым Шынар Асылбековна - магистрант, кафедра архитектуры и строительного производства, Кызылординский университет им. Коркыт Ата, г. Кызылорда, Республика Казахстан
Аннотация: для увеличения плотности уплотненного грунта до заданной величины, необходимо определить расчетом суммарную площадь сечения скважин, пробиваемых в грунте, обеспечивающую засыпку расчетного количества грунтового материала по весу на единицу объема уплотняемого основания. Задача расчета заключается, что грунт природного сложения со средним коэффициентом пористости е необходимо уплотнить до значения коэффициента пористости еупл. Очевидно, что для достижения нового состояния пористости грунта потребуется ввести дополнительный грунтовый материал, вес которого Ag необходимо определить.
Ключевые слова: основание, фундамент, просадочные грунты, лёссовые породы, геологическое исследование.
УДК626/627:631.6
При проведении исследований по выявлению эффективных способов устройства грунтовых свай в лессовых просадочных грунтах экспериментальных площадок г. Кызылорды Республики Казахстан, методика работ разрабатывалась на основе расчета глубинного уплотнения грунтов опытных площадок.
Расчет уплотнения лессовых просадочных грунтов на экспериментальных площадках для устранения их просадочных свойств выполнялся по максимальному значению коэффициента пористости. Коэффициент пористости уплотненного грунта можно вычислить по формуле:
е = рв/ра-1 (1)
где е - коэффициент пористости в пределах толщи уплотняемого основания; р8 - плотность частиц грунта; ра - плотность сухого грунта [1].
Для увеличения плотности уплотненного грунта до заданной величины, необходимо определить расчетом суммарную площадь сечения скважин, пробиваемых в грунте, обеспечивающую засыпку расчетного количества грунтового материала по весу на единицу объема уплотняемого основания. Задача расчета заключается в следующем. Грунт природного сложения со средним коэффициентом пористости е необходимо уплотнить до значения коэффициента пористости еупл. Очевидно, что для достижения нового состояния пористости грунта потребуется ввести дополнительный грунтовый материал, вес которого Дg необходимо определить [2, 3].
При коэффициенте пористости е и плотности частиц грунта р8 плотность сухого грунта в единице объема грунта природной структуры составит:
ра = р/(1+е) (2)
При уплотнении грунта до пористости еупл полученная плотность сухого грунта составит:
=рЛ1+еупл) (3)
Отсюда вес дополнительно вводимого грунтового материала будет равен:
Дg=[рs/(1+еyПл)] - [рД1+ е)] = р8(е - е^/[(1+е)(1+еупл)] (4)
Так как плотность частиц грунта имеет одинаковое значение р8, а коэффициент пористости после уплотнения еупл можно написать:
Дg = ^ р^упл (5)
где ^ - относительная плотность сечения отверстия, м2, для грунтовых свай на 1 м2 уплотняемого основания.
Подставив вместо р^л его значение для 1м2 уплотняемого основания, получим:
Дg = ^р 1/(1+еупл) (6)
Произведя соответствующие преобразования, получим относительную площадь сечения отверстий для грунтовых свай:
^ = [(е-еупл)/(1+е)] 1 (7)
При уплотнении грунта по средневзвешенной величине максимального значения емакс= ео-еупл приведенная выше формула получит следующий вид:
^ = емакс/(1+е) (8)
Необходимое число грунтовых свай N в уплотняемом основании площадью Fo для отдельных фундаментов можно вычислить по формуле:
N = ^о/ю (9)
где ю - площадь сечения одного отверстия или одной грунтовой сваи.
При исследованиях, выполненных с применением взрывчатых веществ, когда уплотнение грунта производилось энергией взрыва с устройством скважин-шпуров, иначе вычислялась площадь ю, так как при
бурении шпура грунт не уплотняется, поэтому за расчетную площадь ю принимается действительная площадь отверстий Юд за вычетом площади сечения шпура юо, т.е.
ю = Юд - Юо (10)
Как показали проведенные экспериментальные исследования, наиболее рациональным исходя из условий производства работ по уплотнению грунта сваебойным оборудованием или энергией взрыва является диаметр отверстий, равный 35-40см, который для лессовых грунтов был принят в качестве стандарта. С разработкой новой технологии появилась возможность увеличить диаметр отверстий до 50-60 см.
Расстояние L между центрами скважин для грунтовых свай определяется по формуле
ь = Р^упл/(Ра.упл -Ра )
где d - проектный диаметр скважин (грунтовых свай); ра - плотность сухого грунта природного сложения, т/м3; р<1,упл - плотность сухого грунта в уплотненном основании, т/м3.
Расстояние между центрами грунтовых свай устанавливается в зависимости от природной пористости грунта, проектной плотности грунта после уплотнения и диаметра пробиваемых отверстий в уплотняемом основании [4].
Проведенные исследования эффективных технологий устройства грунтовых свай в лессовых просадочных грунтах показали, что скважины диаметром свыше 30 см наиболее целесообразно размещать в шахматном порядке для того, чтобы пробивкой отверстий в центре каждой группы из трех отверстий достичь наибольшего уплотнения грунта в основании.
Для обеспечения проектного качества выполняемых работ и хорошей работы свай, независимо от числа грунтовых свай, получаемых по расчету, число рядов свай по длине и ширине фундамента необходимо принимать не менее трех.
Площадь уплотняемого основания. В процессе исследований было изучены различные условия и методы уплотнения лессовых просадочных грунтов исходя из физико-механических и специфических свойств грунтов. На экспериментальных площадках глубинное уплотнение лессовых просадочных грунтов на основе специального проекта разработанного из расчета уплотнения грунта не только в пределах деформируемой зоны основания, но и в пределах всей толщи лессового просадочного грунта.
Несмотря на то, что опыты проводились на ограниченной площади строительства комплекса объектов, при применения предложенных способов устройства оснований для всей строительной площадки вопрос о размерах площади уплотняемого основания решался исходя из инженерных соображений с учетом технико-экономических показателей, а также необходимостью исключения влияния чрезмерно больших просадок и их неравномерности на эксплуатационную пригодность зданий и сооружений возводимых на уплотненных грунтовыми сваями основаниях.
При уплотнении лессовых просадочных грунтов в пределах деформируемой зоны площадь уплотняемого основания принималась из расчета, чтобы грунт был уплотнен в пределах напряженной зоны под фундаментом, оконтуренной изобарой 0,3с, близкой к рнач (о - давление под подошвой фундамента здания). Площадь уплотненного основания Р0 должна быть больше площади фундамента за счет уплотнения полосы по периметру фундамента здания шириной не менее 0,2 а и вычисляется по формуле:
Б0=1,4а (Ь+0,4 а) (12)
Глубина уплотнения. Как показало изучение опыта строительства эксплуатации зданий и сооружений, построенных на лессовых просадочных грунтах и результаты проведенных экспериментальных исследований в тех случаях, когда толщина слоя про-садочного грунта и величина рнач недостаточны для развития просадок грунтов ниже деформируемой зоны основания, глубину уплотнения необходимо принимать равной глубине распространения деформируемой зоны или сжимаемой толщи основания [5].
В тех случаях, когда принимаемые мероприятия по строительству и эксплуатации зданий и сооружений и их инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах не исключают возможности неравномерного замачивания грунтов нижних слоев или конструктивные решения зданий не исключают деформации конструкций при просадках оставшихся неуплотненных слоев необходимо глубину уплотнения принимать до нижней границы просадочной толщи грунта.
Если принятые конструктивно-технологических мероприятий обеспечит эксплуатационную пригодность построенных сооружений при ожидаемых значениях просадок неуплотненных слоев просадочной толщи, то глубину уплотнения можно принять равным 0,75 Н (Н - мощность просадочной толщи).
Изучение опыта строительства на площадках с лёссовыми просадочными грунтами показало, что имеются случаи, когда уплотняемое основание прорезается слоем другого грунта, не обладающего просадочными свойствами, достаточной толщины (3 м и более). При таких случаях глубина уплотнения может быть уменьшена до глубины залегания этого слоя. Точно так же можно сократить глубину уплотнения до отметки наивысшего уровня подземных вод, так как грунт, залегающий на глубине более 5-8 м и подвергавшийся воздействию грунтовых вод, практически не обладает просадочными свойствами.
Определение количества грунтового материала, необходимого для набивки скважин. Как показали натурные наблюдения, проведенные на площадках строительства гражданских и промышленных зданий на лессовых просадочных грунтах с устройством искусственных оснований грунтовыми сваями, общая осадка
основания зависит от правильного заполнения скважин грунтом оптимальной влажности до требуемой плотности.
При проведении экспериментальных исследований эффективности устройства грунтовых свай, скважины заполнялись грунтом этой же строительной площадки при оптимальной влажности, которая была установлена способом стандартного уплотнения в лабораторных условиях с тщательным послойным уплотнением.
Необходимое для засыпки 1 м скважин при устройстве грунтовых свай количество грунта по весу определялось по формуле:
g=юps(1+Wопт/100)/(1+еупл) (13)
При опытном устройстве грунтовых свай для предварительных расчетов необходимое количество грунтового материала на 1м грунтовой сваи определялось при средних значениях: ps = 2,7 т/м3 , Wопт=16%, и
еупл.=0,60.
При возведении зданий и сооружений на площадках с лессовыми просадочными грунтами их гарантированная сохранность может быть обеспечена в основном при полном исключении просадочных свойств грунтов в основании.
Как и при всех способах механического уплотнения просадочных грунтов, и при глубинном уплотнении грунтов грунтовыми сваями важно обеспечить установленную проектом плотность уплотненного грунта, начиная с отметки заложения фундаментов. Для обеспечения плотности верхних слоев уплотнение грунтов грунтовыми сваями можно производить с недобором грунта высотой 1,5-2,5м или котлованы для подземных этажей вырыть после завершения работ по устройству грунтовых свай [2].
В процессе исследований рассматривались деформации грунта при погружении в него стержня. Погружение стержня вызовет в некоторой зоне грунта вокруг стержня напряженное состояние; величина напряжения будет убывать по мере удаления от поверхности стержня. Указанное напряженное состояние возникает при действии давления на грунт в радиальном направлении и вследствие трения стержня о грунт. В результате будут иметь место два вида деформаций - вытеснение грунта в вертикальном направлении и уплотнение грунта в радиальном направлении за счет сближения частиц в скелете. В первый момент преобладает деформация вытеснения грунта в объеме, близком к объему стержня, а затем по мере погружения стержня деформация и объем вытесненного грунта будут уменьшаться, и одновременно будет увеличиваться деформация уплотнения грунта.
Начиная с некоторой глубины Ькр будет происходить лишь деформация уплотнения грунта, т.е. будет обеспечиваться его проектная плотность. Значение Ькр может быть определено расчетом. Так, Ькр=Дс,ф^0) является функцией прочностных характеристик грунта и диаметра стержня и может быть вычислена по формулам для расчета глубины заложения фундаментов из условия устойчивости (Паукера-Ренкина, Герсеванова, Пузыревского и др.).
Приведенные выше предпосылки еще раз подтверждают, что глубинное уплотнение необходимо производить с отметки, превышающей отметку заложения фундаментов строящихся на лессовых просадочных грунтах зданий и сооружений на величину Ькр.
Толщину слоя просадочного грунта до глубины Ькр называется защитным (или буферным) слоем. Толщина буферного слоя зависит не только от приведенных факторов, но и от свойств грунта и условий производства работ или способа уплотнения [6, 7].
При уплотнении лессовых просадочных грунтов энергией взрыва разуплотнение верхних слоев происходит отлично от метода уплотнения грунтов сваебойным оборудованием и станками ударно-канатного бурения.
При применении взрывного метода уплотнения лессовых просадочных грунтов толщина буферного слоя зависит от веса патронов, бризантности и работоспособности используемого взрывчатого вещества.
Толщину буферного слоя исследовали заложением глубинных марок на глубину от 120 до 240 см в радиусе (считая от центра заряда) от 40 до 120-150 см. Минимальный подъем марок наблюдался лишь на глубине 240 см.
Анализ результатов исследований показывает, что наибольшая толщина взрыхленного слоя отмечена в радиусе наибольшего уплотнения грунта, равного 1,15-1,55 м. При глубинном уплотнении грунтов энергией взрыва толщину взрыхленного слоя получить расчетом практически невозможно, поэтому необходимо ее определить для каждого способа уплотнения опытным путем.
Экспериментальными исследованиями, проведенными в г. Кызылорде, было установлено, что при уплотнении грунта сваебойным оборудованием с помощью сердечников толщина буерного слоя должна быть не менее 1,55 м, а при уплотнении энергией взрыва - не менее 2,2 м.
В связи с тем, что экспериментальные исследования проводились на территории строительства студенческого общежития полупроводниковых материалов, полученные результаты по уплотнению грунтов были использованы при строительстве жилого поселка завода и нескольких производственных цехов.
Список литературы
1. Доброе Э.М. Механика грунтов, Учебник для студентов учебных заведений. Москва. Издательский центр
«Академия», 2008. 272 с.: 60х90.
2. Боданов Ю.Ф. Фундаменты от А до Я. Строительство и ремонт фундаментов. Планировка. Технология. Материалы. Москва. Лада, 2006. 224 с.
3. Будикова А.М., Байманов Т.А. Анализ инженерно-геологические исследования площадок, сложенных слабыми глинистыми грунтами // Федеральный журнал «Вестник Науки и образования». № 7 (85), часть 2, ISSN 2541-7851, 2020. Издательство «Проблемы науки». № 2(16), ISSN - 2410-275Х, 2016. С. 40-42.
4. Будикова А.М., Отепберген Н.О, Инженерно-геологические исследования лессовых просадочных грунтов // Научный журнал РФ. Проблемы науки №04 (28), 2018. С. 44-47.
5. ГОСТ 20522-2012 Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний, межгосударственный стандарт. Москва, 2012.
6. Будикова А.М. Совершенствование метода расчетного обеспечения эксплуатационной надежности сетевых гидротехнических сооружений мелиоративных систем, возводимых на просадочных основаниях, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, специальность 05.23.05. Гидротехническое строительство. МГУП, Москва, 2008. С. 127.
7. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под общей ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. М.: Издательство АСВ, 2014. 728 с.
