Уплотнение грунтов: технологические напряжения и их учёт Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.138.1:624.524.2

УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ УЧЁТ

© 2005 г. В.Г. Столяров

При уплотнении грунтов в основаниях или насыпях наиболее насущные вопросы - как превратить рыхлые грунты в более плотные, какая технология является оптимальной. Как правило, продукт уплотнения один - грунт более высокой плотности. Но при уплотнении в грунте возникает новое напряжённое состояние, зависящее от особенностей технологии. Именно такие напряжения будем называть технологическими. Часть из них после окончания уплотнения исчезает - как, например, вертикальные напряжения от катка. Но в ряде технологий уплотнения грунтов часть напряжений остаётся; их, по нашему мнению, нужно учитывать, рассматривая как второй продукт уплотнения.

Глубинное уплотнение грунтов по шнековой технологии заключается в создании системы грунтовых свай. Шнековым снарядом при его прямом вращении пробуривается скважина диаметром d, при обратном вращении снаряда в скважину подаётся рабочий материал (грунт, бетон) и при приложении вертикального давления формируется буронабивная свая диаметром Dсв, превосходящим диаметр скважины в 1,5...2,5 раза. Главным, что вызывает расширение сваи, это вращение наконечника шнековой колонны, состоящего из двух лопастей, закреплённых под углом 5° относительно оси корпуса, т.е. почти вертикально. Это способствует преобразованию механической энергии вращающегося шнека в радиальные напряжения и деформации грунтовой сваи (горизонтальные по направлению) и окружающего её грунта. Свая формируется снизу вверх, расширение её ствола также происходит по мере роста её ствола. Но теоретическая модель процесса - одновременное увеличение диаметра всей сваи от d до Dсв [1-3].

В соответствии с [2-4], радиальные технологические напряжения на контакте свая - уплотняемый грунт, напряжения в пластической зоне ст^ при R < Rm, в упругой зоне сге при R > Rпл и сам радиус пластической зоны Rпл определяются по формулам:

+ с ctg9)

ort =(1+sin9)(arg +

1,01 - (d / DCB)2 1,01 - А2 / (1 - А)2

ß

-с ctg9, (1)

tfre=[tfrg(1+sin9)+c cos9](RnjI / R) , Япл =0,5 DUtfrt+c ctgq>)mß / [(1 +sin ф)(ст^+с ctg ф)]

1/2ß

где для вертикальной сваи горизонтальное давление ст^ в состоянии покоя на глубине d от поверхности с учетом равномерной пригрузки q на поверхности,

Grg=(q+Yd)tp,

А= Ео / (1+v0)(arg+c с§ф) si^, ß=s^/(1+s^),

(2)

(3)

(4)

где y, с, ф, Ео, v0 - средневзвешенные значения физических и механических характеристик в межсвайном пространстве.

Несущая способность буронабивных свай, возведённых по шнековой технологии, может быть определена по формуле (11) СНиП 2.02.03-85, с использованием R, определённого по табл. 1, как она определяется для набивных свай, устраиваемых путём погружения закрытых инвентарных труб, и виброштампованных (п. 2.4 а, б). Силы трения между сваей, выполненной по шнековой технологии, и грунтом будут выше: у виброштампованных свай они будут возрастать только при уплотнении бетона виброштампом, что приводит к незначительному - на 5.. .10 % - увеличению диаметра сваи. При устройстве свай по шнековой технологии рост радиальных напряжений и сил трения будет функцией увеличения диаметра сваи, а он возрастает в 1,5.2,5 раза. На первом этапе для создания методики проектирования шнековых свай можно определять их несущую способность по п. 4.6 СНиП с учётом п. 2.4 а, б, относя отмеченные положительные факторы в запас надёжности.

Будем определять несущую способность буронабивных бетонных и железобетонных свай в уплотнённом просадочном грунте с учётом теоретических положений, предложенных проф. А.А. Григорян [5], но силы трения по боковой поверхности, зависящие там от горизонтальных бытовых давлений, должны быть увеличены с учётом art по (1). Буферный слой при шнековой технологии уплотнения грунтов и устройстве свайных фундаментов не превышает d0 < 1 м. Несущая способность сваи по грунту

&rp = (&rt +С ^ф) (Da

' 2R) 2ß - с ^ф,

Fd = Fjfl + Fdf2 + F,

dR,

где Еф - сумма сил трения по боковой поверхности сваи длиной Ьс -¿0 - Ь (¿0 - буферный слой, Ь - участок в нижней части сваи, см. ниже определение расчетное сопротивление Л на этом участке определяем с учетом Стй -технологического напряжения:

Л = гя Ф + с. С учетом (1)-(4)

Л1=(1+ьшф)(1,01-с12Юсъ2)\агг1 Ф + с) /

' [1,01-A2,- / (l-Af ] ß,

(5)

где индекс i указывает на то, что величины argi, Аi и fu, будут определяться для середины слоя мощностью Ahi, прилегающего к свае, с координатой Z от поверхности грунта, а

Ff = YcYcfi п Z DCB fu Ahi, Ff= Ye Yf AfA,

где площадь боковой поверхности усеченного конуса

Аб=п1(Бсв+1 sin ф),

а вертикальная составляющая сил трения на наклонной поверхности конуса

fA=0,5 sin2ф(arí+c ctgф) x

x (1 +2А^ф/Д.в)-2р+e cosф(l-cosф),

где Az - расстояние по вертикали от верха усеченного конуса, до точки, где определяется fA.

Составляющую F^ за счет работы сферы в пределах нижней части усеченного конуса определяем по формуле

где

Fr=YcYcr п (b+Ri) 2 а^ш2ф,

а1=[а3(1+81иф)+2с cos ф]/(1^шф),

а в уровне нижнего конца сваи на глубине йк напряжение а3 =

Буронабивная свая из бетона может занимать положение одной из грунтовых свай, уплотняющих про-садочный грунт, и выполняется теми же буровыми установками. При экспериментальной проверке несущей способности буронабивных свай в уплотнённом основании будет необходимо отразить влияние двух процессов: воздействие релаксации на величину технологических напряжений и увеличение со временем сцепления в уплотнённом грунте, так как при уплотнении жёсткие кристаллизационные связи были нарушены.

Покажем, как повлияет наличие технологических напряжений от множества грунтовых свай, выполненных для устройства искусственного основания, на сопротивление основания ленточного фундамента сдвигу. Буферный слой в этом методе менее метра, он при устройстве ленточного фундамента на глубине ё снимается до уровня подошвы фундамента. Если основная часть деформаций - пластическая (остаточная), то на плотность грунта это не повлияет. Но с уменьшением бытового давления горизонтальные по направлению технологические и пластические напряжения уменьшатся. При напряжениях от множества

свай эти напряжения могут быть определены из закона Кулона, где сг = сь а минимальное напряжение равно бытовому - с3 = у z:

аr = y z ctg2(45 - ф / 2) + 2 с ctg(45 - ф / 2).

Напряжения под краем полосовой нагрузки с учётом горизонтальных технологических напряжений по

(5):

а1 = [(p - Yd)/ п ] (а + sin а) +

+ Y(d + z) + аr sin а/2, а 3 = [(Р - Yd)/ п ] (а - sin а) + + Y(d + z) + аr cos а/2.

При выводе формулы Пузыревского получено простое соотношение - экстремальное значение угла видимости а = п/2 - ф. В данном случае получить аналогичное нельзя: по-видимому, а будет функцией многих аргументов - ф, у, d, p, z. Поэтому для оценки положительной роли технологических напряжений сопоставим, насколько возрастают удерживающие силы (sin ф (с1 + с3 + 2 с ctg ф)) при равных значениях сил сдвигающих (с1 - с3). Равенство указанных сил в классическом выводе:

[(p- Yd)/ п] 2sin а = sinф { [(p-

- Yd)/ п ]2 а +2 с ctg ф +2y (d + z)}. (6)

При наличии технологических напряжений аналогичное равенство:

[(p- Yd)/ п] 2 sin а - аr (cos а/2 -

- sin а/2) = [(p- Yd)/ п] 2а sinф + + 2 Y(d + z) sin ф + 2 Y(d + z) sin ф +

+ аr (cos а/2 + sin а/2)sin ф. (7)

Перенесём второе слагаемое левой части равенства в правую часть (чтобы сдвигающие усилия в (6) и (7) были равны) и разделим удерживающие силы в (7) на правую часть (6). Это отношение можно расценивать как коэффициент увеличения удерживающих сил

Кус:

Кус = 1 + [аr cos а/2 (1 + sin ф) -

- аr sin а/2 (1 - sinф)] / sinф { [(p-

- Yd)/ п ]2 а + 2 с ctg ф + 2y (d + z )}.

Видно, что числитель во втором слагаемом - величина положительная (при а/2 < 45° cos а /2(1 + + sin ф) > sin а /2 (1 - sin ф)), а следовательно, удерживающие силы при наличии технологических напряжений увеличились.

Таким образом, положительные результаты глубинного уплотнения лёссовых грунтов грунтовыми сваями - это не только увеличение плотности скелета

грунта и ликвидация просадочных свойств, но и наличие в уплотнённом основании горизонтальных технологических напряжений. Их величина пропорциональна степени расширения сваи. При применении шнековой технологии горизонтальные напряжения будут больше, чем в случае формирования скважины пробивкой или раскатыванием.

Горизонтальные технологические напряжения, превышающие горизонтальную составляющую бытовых напряжений в грунте такой же плотности, появляются и в насыпях, уплотнённых путём трамбования или укатки. В тех случаях, когда предельное состояние грунтового сооружения возникает от действия вертикально направленных сил, наличие горизонтальных технологических напряжений можно отнести в запас надёжности. Но следует непосредственно учитывать эти силы в расчётах грунтовых сооружений, так как это сблизит прогнозируемые и реальные напряжения и деформации.

Литература

1. Драновский А.Н. Предельное давление на стенки цилинд-

рической скважины // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1980. № 5. С. 22-25.

2. Свайные фундаменты и заглублённые сооружения при реконструкции действующих предприятий / Е.М. Пер-лей, В.Ф. Раюк, В.В. Беленькая, А.Н. Алмазов. Л., 1989.

3. Мишаков В. А., Раюк В.Ф. Исследование и расчёт несущей

способности инъекционных грунтовых анкеров // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1989. № 2. С. 6-8.

4. Столяров В.Г. Реконструкция и строительство городов Северного Кавказа: устройство грунтовых и бетонных свай шнековым способом в просадочных грунтах // Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство: Тр. Междунар. конф. по геотехнике, по-свящённой 300-летию Санкт-Петербурга, 17-19.09.2003 г. Т 2. С 217-222.

5. Григорян А.А. Несущая способность кустов свай в проса-дочных грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1996. № 1. С. 22-25.

Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь 13 октября 2004 г.

УДК 691.32: 620.169.1

ЛЕГКИЙ ОГНЕУПОРНЫЙ БЕТОН

© 2005 г. В.А. Перфилов

Лёгкие огнеупорные бетоны, применяются в качестве футеровочных материалов для конструкций теплотехнических зданий и сооружений. Однако основными недостатками многих из них являются невысокая прочность и трещиностойкость при больших значениях плотности, а также высокая стоимость их изготовления с учетом тепловой обработки.

При разработке нового состава легкого огнеупорного бетона ставилась задача повышения прочностных свойств, а также трещиностойкости при сравнительно небольшой плотности и сокращения сроков твердения без применения тепловой обработки.

Известен легкий огнеупорный бетон, изготовленный из сырьевой смеси, включающей ортофосфорную кислоту 60 %-й концентрации, алюминиевую пудру, глиноземистый шлак, керамзит и отработанную серную кислоту 72-74 %-й концентрации [1]. Недостатками полученного состава бетона являются невысокая прочность при больших значениях плотности из-за применения в качестве наполнителя малопрочного и относительно тяжелого керамзита фракции 0-5 мм.

Для повышения прочности и трещиностойкости, а также снижения плотности свежеотформованных изделий при утилизации отходов и сохранении времени отверждения были подобраны составы бетонной смеси, включающие алюминиевую пудру, ортофос-

форную кислоту 60 %-й концентрации, глиноземистый шлак и дополнительно содержащие сернокислый шлам и вспученный вермикулит при следующем соотношении компонентов (% по массе): алюминиевая пудра 3-4, указанная ортофосфорная кислота 22-25, глиноземистый шлак 40-42, сернокислый шлам 12-14, вспученный вермикулит 15-23.

Сернокислый шлам представляет собой продукт, образующийся травлением окалины при производстве стальных труб серной кислотой с последующей нейтрализацией известняком. Полученный при этом отход в виде шлама не находил применения и в больших количествах (5-10 т в год) вывозился в отвал, ухудшая экологическое состояние в регионе. Химический состав шлама включает: Бе203 - 10-15%; MgO - 3-5%; 8102 - 7,3%; Са804 - 25-30%; Сг203 - 1%; СаБ2 -25-30% и др. Содержание в шламе оксидов 81, Сг, Mg и Бе является положительным фактором для применения в огнеупорных смесях, так как фосфатные системы Н3Р04 с этими катионами обладают высокими прочностными и огнеупорными свойствами.

Содержащийся в шламе сернокислый кальций (до 30 %) взаимодействует с ортофосфорной кислотой по реакции:

Н2О

Са804 + Н3Р04 ^ Са3(Р04)2 + Н2804.