CC BY
44
УДК 624.154:69.059.3 САМОХВАЛОВ М. А.
Результаты полевых исследований работы буроинъекционных свай с контролируемым уширением
Приведено описание нового способа устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением, используемой при реконструкции зданий и сооружений и дающей возможность освоения их подземного пространства. Проанализированы результаты полевых исследований взаимодействия буроинъекционной сваи с контролируемым уширением на конце с глинистым грунтом основания, связанные с изучением радиуса уплотненной зоны, вертикальных деформаций и изменения физико-механических характеристик околосвайного грунтового массива.
Ключевые слова: буроинъекционная свая, контролируемое уширение, пакер, глинистые грунты, статические испытания, реконструкция.
samohvalov m. a.
field research results of arrangement of a drill-injection pile with controlled broadening
The article describes a new method of arranging the drill-injected pile with controlled broadening for the reconstruction of buildings and structures with the ability to develop their underground space. Results of the field study of interaction of the drill-injection pile with controlled broadening at the end and the foundation clay soil associated with the investigation of a compacted zone radius, vertical deformations of the soil massive and changes of physical and mechanical characteristics of the near the pile zone are analyzed.
Keywords: drill-injection pile, controlled broadening, packer, clay soils, static testing, reconstruction.
Самохвалов Михаил
Александрович
аспирант, ассистент кафедры геотехники ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»
e-mail: [email protected]
Введение
Федеральная целевая программа Правительства Российской Федерации «Сохранение и развитие архитектуры исторических городов» ставит задачу освоения подземного пространства реконструируемых зданий и сооружений. Сравнительный анализ существующих инженерных решений [1, 2, 7-10, 14-15] позволил автору разработать (впоследствии запатентовать [11, 12]) новый способ устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением (Иллюстрация 1).
Новым в устройстве является то, что арматурный каркас выполняется в виде трубы-инъ-ектора с заглушкой в месте расположения мембраны-стакана и тремя зонами инъекционных отверстий закрытыми резиновыми манжетами. Первая зона расположена на концевом участке мембраны-стакана, вторая — вне концевой зоны и третья — в зоне усиления материала фундамента реконструируемого здания. Пакер погружается в первую зону трубы-инъектора и осуществляется инъекция раствора в мембрану-стакан. Мембрана растягивается и образует в грунте уширение, размеры которого можно регулировать по объему закачанного раствора и контролировать по давлению на манометре
растворонасоса. Далее инъецируется вторая зона и происходит образование гидроразрывов в грунтовом массиве и увеличение диаметра сваи, а затем третья зона, которая усиливает материал фундамента.
Цель исследования: усиление оснований реконструируемых зданий с безопасным освоением подземного пространства при использовании нового способа [11]. Для достижения поставленной цели были выполнены полевые исследования, основными задачами которых являлись:
1 изучение грунтового массива активной зоны контролируемого уширения объемом 30 и 40 л в ходе статических испытаний;
2 определение изменения физико-механических характеристик околосвайного грунтового массива, геометрических параметров контролируемых уширений, ствола буро-инъекционной сваи и гидроразрывов в ходе экскавации.
Полевые исследования выполнялись на экспериментальной площадке в г. Тюмень. Физико-механические характеристики грунтового основания представлены в Таблице 1.
Иллюстрация 1. Схема устройства буроинъекционной сваи с контролируемым уширением:
I — бурение скважины; II — монтаж арматурного каркаса в виде трубы-инъектора, подача пакера в первую зону инъекционных отверстий; III — процесс инъецирования раствора; 1 — скважина; 2 — труба-инъектор; 3 — хомут крепления; 4 — резиновая мембрана-стакан; 5 — резиновые манжеты; 6 — шланг подачи раствора; 7 — пакер; 8 — бетонная пробка; 9 — уплотненная зона. Автор М. А. Самохвалов
рййл- тгт*.••т.^пгеис •-.• .
Иллюстрация 2. Конструкция трубы-инъектора с резиновой мембраной-стаканом: а — инъекторы; б — бетонная пробка; в — геометрическая схема; г — отверстия 20х5 мм; д — манжеты; е — мембрана-стакан; ж — мембрана перед погружением в скважину. Автор М. А. Самохвалов
Для изготовления буроинъекционной сваи в качестве трубы-инъектора использовалась металлическая труба 57x3,5 длиной 2,5 м с двумя зонами перфорированных отверстий. В первой зоне пять рядов отверстий распола-
Иллюстрация 3. Статические испытания буроинъекционных свай: 1 — испытываемая свая; 2 — гильза; 3 — реперная система; 4 — домкрат с манометром; 5 — упорные балки; 6 — пригруз из фундаментных блоков; 7 — глубинные марки; 8 и 9 — прогибо-меры 6 ПАО; 10 — пластины; 11 — фундаментные блоки. Автор М. А. Самохвалов
гаются в шахматном порядке с шагом 50 мм, во второй зоне пять рядов отверстий располагаются с шагом 300 мм. На расстоянии 0,75 м от верха трубы-инъектора отверстия отсутствуют; устраивается бетонная пробка из тяжелого бетона для предотвращения выхода раствора из скважины под действующим давлением инъекции. Отверстия перфорации закрываются манжетами, поверх манжет натягивается резиновая мембрана, эластично обтягивающая нижний конец инъектора и повторяющая его форму. Мембрана-стакан закрепляется на трубе с помощью автомобильных хомутов (Иллюстрация 2).
Отметим, что для беспрепятственного погружения инъектора в скважину мембрана-стакан складывается в «гармошку» и фиксируется в таком положении при помощи бумажного скотча. Резиновые манжеты также фиксировались бумажным скотчем для предотвращения сползания из-за трения инъектора о стенки скважины (Иллюстрация 2).
После изготовления свай устраивался их «отдых» в соответствии с требованиями ГОСТ [6], равный 20 суткам, необходимый для перераспределения напряжений в грунтовом массиве и набора заданной прочности раствора. Далее осуществлялась подготовка экспериментальной установки для проведения статических испытаний свай (Иллюстрация 3).
Нагрузка на исследуемую сваю передавалась с помощью гидравлического домкрата ступенями по 5 кН. Показания с прогибомеров 6ПАО снимались перед загружением и после приложения каждой ступени нагрузки в соответствии с методикой ГОСТ [6]. За частное значение предельного
Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтового основания
Вид грунта Глубина, м g,кН/м3 W,% IL, д.ед j, град с, кПа Е, МПа
Глина (твердая) 0,5-1,4 17,6-18,2 18-20 < 0 14,7-21,5 24,0-28,0 18,5-19,0
Суглинок (мягкопластичный) 1,4-6,6 18,4-19,6 26-32 0,62 14,7-19,2 19,0-23,0 7,7-8,0
Примечание: Е — компрессионный модуль деформации, откорректированный с помощью повышающих коэффициентов, принятых по табл. 5.1 СП [16].
С контролируемым уширением V= 40л
Нагрузка 25 кН Нагрузка 35 кН Нагрузка 55 кН Нагрузка 65 кН
С контролируемым уширением V=30 л
Нагрузка 15 кН Нагрузка 20 кН Нагрузка 30 кН Нагрузка 35 кН
Иллюстрация 4. Изолинии перемещений грунтового массива в зоне уширений. Автор М. А. Самохвалов
сопротивления испытываемом сваи вдавливающем нагрузке (критерий срыва) принималась осадка, равная 15 мм, прил. Ж. СП [16].
По показаниям прогибомеров 6ПАО в геоинформационной системе Surfer 8 построены изолинии перемещений (Иллюстрация 4).
По изолиниям видно, что на первых этапах нагружения до нагрузки 20 кН для уширения объемом 30 л и, соответственно, 35 кН для уширения объемом 40 л в активную работу включается грунтовой массив уплотненной зоны, образованный после формирования уширений.
При нагрузках 30-35 кН для уширения объемом 30 л, 55-65 кН для уширения объемом 40 л перемещения развиваются за пределами уплотненной зоны на расстоянии, соответственно, 1,4-1,6 d и 1,1-1,2 d от нижнего конца инъектора (где d — диаметр уширения).
На основе полученных данных статических испытаний построены графики зависимости осадки свай от нагрузки (Иллюстрация 5) и во времени (Иллюстрация 6).
На графике зависимости осадки свай от нагрузки обе кривые представляют собой линии с равномерным возрастанием осадок и участками с линейной работой: для уширения объемом 30 л до нагрузки 20 кН (IV) со значением осадки 4,8 мм; для уширения объемом 40 л до нагрузки 40 кН (VIII) со значением осадки 6,4 мм.
На графике зависимости осадки свай во времени имеются участки с различным характером стабилизации: ♦ с I по III ступени нагружения (5-15 кН) для уширения объемом 30 л, и с I по VII ступени нагружения (5-35 кН) для уширения объемом 40 л — характеризуются быстрой стабилизацией, связанной с отсутствием в грунтовом массиве уплотненной зоны остаточных деформа-
ций, выбранных при формировании контролируемого уширения [10, 13];
на IV ступени нагружения (20 кН) для уширения объемом 30 л и с VII по X ступени нагружения (35-50 кН) для уширения объемом 40 л — выделяется зона с постепенно затухающей стабилизацией, связанная с начинающимся развитием деформаций осадки грунтового массива за пределами уплотненной зоны; последние ступени нагружения V-VI (25-30 кН) для уширения объемом 30 л и Х!-ХП (55-60 кН) для уширения объемом 40 л — характеризуются медленной стабилизацией, связанной с активным развитием деформаций осадки грунтового массива за пределами уплотненной зоны.
Иллюстрация 5. Графики зависимости осадки свай от нагрузки s = f . Автор М. А. Самохвалов
Иллюстрация 6. Графики зависимости осадки свай во времени £ = f (). Автор М. А. Самохвалов
Иллюстрация 7. Графики изменения физико-механических характеристик по глубине. Автор М. А. Самохвалов
Иллюстрация 8. Геометрические параметры ствола буроинъекционной сваи. Автор М. А. Самохвалов
Иллюстрация 9. Геометрические параметры гидроразрывов. Автор М. А. Самохвалов
Иллюстрация 10. Геометрические параметры уширений: а — объемом 30 л; б — 40 л. Автор М. А. Самохвалов
Отметим, что значительная величина упругого выхода при разгрузке: 4,5 мм для уширения объемом 30 л; 6,9 мм для уширения объемом 40 л — объясняется наличием в основании уплотненной зоны и образованием остаточных напряжений в грунтовом массиве при формировании контролируемого уширения [10, 13].
Для определения изменения физико-механических характеристик околосвайного грунтового массива проводилась экскавация специально изготовленной буроинъекционной сваи с контролируемым уширением объемом 40 л, не участвовавшей в статических испытаниях. Отбор проб грунта для проведения лабораторных испытаний осуществлялся с шагом 0,5 м по глубине с трех вертикальных осей на расстоянии 10, 30 и 50 см от инъектора. За начальные значения были приняты характеристики проб грунта, взятые на расстоянии 8 м от сваи.
Значения физических характеристик определялись по методике ГОСТ [5]: плотность проб грунта — методом режущих колец, влажность — методом высушивания до постоянной массы. Модуль деформации определялся по образцам грунта ненарушенной структуры в приборах компрессионного сжатия по методике ГОСТ [3]. Полученные результаты подвергались статистической обработке по методике ГОСТ [4], образцы с характеристиками, сильно отличающимися от общей совокупности результатов, исключались из общей выборки. После статистической обработки полученных данных строились графики изменения плотности, влажности и модуля деформации по глубине (Иллюстрация 7).
Наибольшее изменение физико-механических характеристик произошло в уплотненной зоне грунтового массива при формировании контролируемого уширения:
♦ плотность увеличилась в среднем на 24% и составила 2,24 г/см3;
♦ влажность уменьшилась в среднем на 36%;
♦ модуль деформации увеличился на 67%.
Изменение физико-механических характеристик по стволу буроинъекционной сваи:
♦ плотность увеличилась в радиусе 10 см в среднем на 20%, в радиусе 30 см — 14%, в радиусе 50 см — 8%;
♦ влажность уменьшилась в радиусе 10 см в среднем на 28%, в радиусе 30 см — 16%, в радиусе 50 см — 8%; отметим, что неравномерность в полученных значениях влажности от 20 до 36% на расстоянии 10 см от инъектора объясняется хаотичностью образования гидроразрывов;
♦ модуль деформации увеличился в радиусе 10 см в среднем на 51%, в радиусе 30 см — 34%, в радиусе 50 см — 15%.
Для определения геометрических параметров контролируемых уширений, ствола сваи и гидроразрывов также производилась их экскавация (Иллюстрации 8-10).
За счет постоянно действующего давления инъекции со средним значением 1,2 МПа происходит увеличение диаметра ствола буроинъекционной сваи в среднем в 2,3 раза от 80 до 180 мм.
Из Иллюстрации 9 следует, что основная часть образовывающихся в грунтовом массе гидроразрывов под давлением инъекции 0,8-1,0 МПа представляет собой трещины большего раскрытия с формированием сплошных линз толщиной 15-30 мм, распространяющиеся на расстояние до 0,5 м от инъектора. Причиной их образования является значительное превышение локальных давлений инъекции (0,8-1,2 МПа) над нормальными напряжениями (до 0,15 МПа) в грунтовом массиве в плоскости возможных смещений [1, 10, 14].
Из Иллюстрации 10 следует, что при инъекции раствора в объеме 30 л уширение формируется диаметром 340360 мм, высотой 410-430 мм, отношение d|h = 0,8; в объеме 40 л — диаметром 370-390 мм, высотой 510-530 мм, = 0,7.
Заключение
По результатам полевых исследований работы буро-инъекционных свай с контролируемым уширением следует сделать выводы:
1 До нагрузки, равной половине несущей способности буроинъекционной сваи Fd|2 в среднем до 30 кН, значения осадки не превышают 5 мм (Иллюстрация 5), что очень важно при работе в условиях реконструкции, когда недопустимы большие деформации прил. Ж. СП [16].
2 Значительная величина упругого выхода при разгрузке в среднем 6 мм (Иллюстрация 6) объясняется наличием в основании уплотненной зоны и образования остаточных напряжений в грунтовом массиве после формирования контролируемого уширения [10, 13].
3 Увеличение объема контролируемого уширения на 10 л способствует увеличению несущей способности буроинъекционной сваи в среднем на 10-12% за счет увеличения площади лобового сопротивления и радиуса уплотненной зоны грунтового массива.
4 Устройство буроинъекционной сваи с контролируемым уширением значительно улучшает физико-механические характеристики грунтового массива (Иллюстрация 7), армируя его гидроразрывами из раствора и уплотняя между разрывами в процессе консолидации: плотность увеличилась в среднем на 14%, влажность уменьшилась на 17,3%, модуль деформации увеличился на 33,3%.
Список использованной литературы
1 Аббуд М. Геотехническое обоснование стабилизации осадок фундаментов с помощью инъекционного закрепления грунтов : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.02. СПб., 2000.
2 Голубев К. В. Усиление оснований фундаментов нагнетаемыми несущими элементами : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.02. Пермь, 2006.
3 ГОСТ 12248-96. «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости». М., 1996.
4 ГОСТ 20522-2012 «Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний». М., 2012.
5 ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик». М., 1984.
6 ГОСТ 5686-94 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». М., 1994.
7 Мацегора А. Г., Осокин А. И., Ермолаев В. А. Инъекционное укрепление грунтов основания фундаментов //
Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 7. С. 52-53.
8 Ким Б. Г., Пронозин Я. А., Волосюк Д. В. Устройство ленточных фундаментов мелкого заложения, объединенных пологими оболочками // Механизация строительства. 2014. № 9. С. 9-14.
9 Мангушев Р. А., Осокин А. И. Геотехника Санкт-Петербурга : монография. М., 2010.
10 Оржеховский Ю. Р., Лушников В. В., Оржеховская Р. Я. Инъекционное закрепление просадочных грунтов (метод контурной обоймы) // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2013. № 3. С. 78-81.
11 Патент 2522358 РФ. Способ изготовления буроинъекционной сваи с контролируемым уширением / Я. А. Пронозин, Ю. В. Зазуля, М. А. Самохвалов // Бюл. 2014. № 19.
12 Патент 151647 РФ. Пакер/Я. А. Пронозин, Ю. В. Зазуля, М. А. Самохвалов // Бюл. 2015. № 10.
13 Петрухин В. П., Шулятьев О. А., Мозгачева О. А. Новые способы геотехнического проектирования и строительства. М., 2015.
14 Петухов А. А. Совершенствование способа устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.02. Томск, 2006.
15 Пронозин Я. А. Исследование работы площадных фундаментов в виде вогнутых пологих оболочек : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.02. Тюмень, 2001.
16 СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*/Мин-регион России. М., 2011.
