Усиление слабых грунтов в основании фундаментных плит с использованием технологии струйной цементации грунтов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УСИЛЕНИЕ СЛАБЫХ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ

STRENGTHENING WEAK SOILS IN THE BASIS OF FOUNDATION SLABS WITH USE OF TECHNOLOGY OF JET

GROUTING

З.Г. Tep-Мартиросян, П.В. Струнин

Z.G. Ter-Martirosyan, P.V. Strunin

МГСУ

В статье рассмотрено усиление слабых грунтов с применением технологии струйной цементации грунтов. Проанализированы различные варианты моделирования укрепленного слоя грунта.

In article strengthening weak soils with application of technology of jet grouting is considered. Various variants of modeling of the strengthened layer of earth are analysed.

На современном этапе очень часто новое строительство в городах ведется в стесненных условиях на территориях со сложными инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями (слабые грунты, неблагоприятные инженерно-геологические процессы). Поэтому появляется риск возникновения ненормативных осадок, строящихся и существующих зданий и сооружений, с непредсказуемыми негативными последствиями. В связи с этим актуальным становится применение различных методов усиления грунтов, залегающих в основании фундаментов, с целью ограничения осадок. Все чаще в настоящее время строительство зданий в стесненных условиях производится на фундаментных плитах. В связи с этим актуальность приобретают предпроектные и проектные расчёты осадок плитного фундамента на усиленном основании.

Одной из технологии укрепления слабых грунтов является технология струйной цементации грунтов (jet-grouting). Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте). После твердения раствора образуется новый материал - грунтобетон, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками. В зависимости от типа грунта и технологии диаметр колонн составляет 600-2000 мм [1].

Струйная цементация позволяет выполнить укрепление слабого массива грунта расположенного на определенной глубине на мощность данного слоя. Это позволяет создать в основании фундаментных плит укрепленный массив. Возможность укреплять определенный слабый слой позволяет получить существенную экономическую выгоду.

4/2010 М1 ВЕСТНИК

7. Постановка задачи о расчете осадки фундаментной плиты на естественном грунте и грунте, усиленном системой грунтобетонных колонн

Расчет осадки плитного фундамента на естественном грунте выполнен с помощью метода послойного суммирования (по СНиП и СП), а также методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе Лшу8.

На грунте, усиленном системой грунтобетонных колонн расчет выполнялся методом послойного суммирования для усиленного слоя грунта и МКЭ. Усиленный слой грунта моделировался слоем с вычисленными эффективными характеристиками по методу равных деформаций, однородной эквивалентной средой, слоем с приведенным модулем деформации грунто-свайного массива и с учетом неоднородной структуры усиленного грунта путем моделирования каждой колонны.

Модель расчетной схемы, на естественном основании и основании усиленном системой грунтобетонных колонн представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Расчетная схема, на естественном (а) и усиленном основании (б)

Фундаментная плита имеет размеры 15,0x15,0. Толщина - 1,0 м. Модуль упругости - 32500 МПа.

Грунтобетонные колонны имеют диаметр 1,2 м. Общее количество составляет 16 шт. Модуль упругости колонн 1500 МПа.

Расчетная нагрузка на фундаментную плиту составляет 20,0 тс/м 2. 2. Расчеты осадок плитного фундамента на естественном основании Расчетные физико-механические характеристики грунтов, используемые в расчетной модели, приведены в таблице 1.

_Таблица 1

игэ Тип грунта С 9 Е Ъ

кПа Град МПа м

1 Супесь пластичная 13 24 16 7

2 Суглинок мягкопластич. 12 12 6 10

3 Суглинок полутвердый 31 24 22 13

Расчет осадки плитного фундамента выполнен был методом послойного суммирования (СНиП и СП), а также решением задачи о деформировании грунтового массива под действием жесткой фундаментной плиты МКЭ.

Результаты расчета осадки плитного фундамента на естественном основании приведены в таблице 2.

Табл. 2

СНиП СП Расчет МКЭ

Средняя осадка, см 17,98 13,65 16,57

3. Методы определения эквивалентных характеристик грунтового массива, усиленного

грунтобетонными колоннами

Расчет осадки фундаментной плиты на основании усиленном системой грунтобе-тонных колонн возможен с помощью МКЭ и инженерными методами, с помощью задания усиленного слоя грунта его эквивалентными характеристиками. Для сопоставления эквивалентных характеристик грунта, были проведены сравнения значений осадки фундаментной плиты на грунте с эквивалентными характеристиками и с учетом неоднородности основания (моделирования каждой сваи).

Метод равных деформаций

В этом методе при расчете эквивалентного модуля деформации каждый слой грунта заменен однородной средой с осредненными деформационными характеристиками.

Приведенный модуль определяется из взаимодействия плитного фундамента с укрепленным слоем грунта на несжимаемом основании. При этом следует равенство деформаций свай и окружающего грунта:

5„ = ,, 5 = (!)

4, ■ Е„ гр А ■ Е А-< Е >

Из равенства осадок: 5^ = 5 = 5^ (2)

Получаем значение для приведенного модуля деформации:

+ Е^,, (3)

<Е >=-

А

Е Е

- где св, ^ - модули упругости грунтоцементной колонны и слоя грунта. Подставляя значения в формулу (3) получаем эквивалентный модуль деформации для

грунта №2. < Е >= 126,2 МПа.

3.2. Определение модуля деформации укрепленного основания как эквивалентной, однородной среды

Объемный модуль деформации и объемный модуль сдвига определяются по следующим формулам [2]:

К. ,е. = , (4)

' (1 - 2\,) ' 2(1 + )

Рассмотрим грунт №2 с физико-механическими характеристиками, приведенными в таб.1. Объемный модуль и модуль сдвига для данного типа грунта имеют следующие значения: к = 20,0МПа, е = 2,22 МПа. Для грунтоцементных колонн

Ксв = 2500 МПа, ^ = 625,0 МПа.

4/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

Определение объемного модуля деформации, модуля сдвига и коэффициента Пуассона укрепленного основания как однородной среды

К = Кп -

Кгр т,

О = °се п + Огр т, .. (К - 2О),

(5)

(6) (7)

2(К + О)

т = 0.08 - объемное содержание грунтоцементных колонн;

п = 0.92 - объемное содержание грунта.

Подставляя значения для свай и грунта получаем < К >= 218,4 МПа, < О >= 52,0 МПа, у = 0,211.

Эквивалентный модуль деформации для грунта №2 получаем из формулы (4):

< Е >= 2О (1 + у), < Е >= К(1 - 2 у) (8)

В результате эквивалентный модуль деформации для грунта №2 имеет следующее значение < Е >= 126,06 МПа.

3.3.Полидисперсная модель с цилиндрическими включениями

В этом случае моделируется однородная изотропная среда, армированная бесконечно длинными цилиндрами различного диаметра. Отношение радиусов цилиндров и вмещающей среды должно оставаться постоянным. Радиус цилиндров произвольный.

В этом случае модуль деформации в направлении вдоль осей цилиндров записывается виде:

„ г. ^ г. ,_4-п-т(усе-у )2_, (9)

Е=т-Е +п-Е н-----' у '

" * т-в9/(К, +ва/3)+п-в9/(К +О,/3)+1

Соответственно подставив значения для колонн и грунта получим эквивалентный модуль деформации укрепленного основания равный: < Е >= 126,12 МПа.

3.4. Метод приведенного модуля деформации грунто-свайного массива

Приведенный модуль деформации грунто-свайного массива определяется, рассматривая НДС фрагмента фундамента с одной сваей. [3] В соответствии с этим размеры вырезанного фрагмента соответствуют расстоянию между сваями (шаг свай) при квадратном расположении свай в плане. Осадка вырезанного фрагмента определяется на основании расчета при условии компрессионного сжатия, позволяющего получить

величину совместной деформации сваи и

а ■

р(к1Ы

МдЫц

Лцшиппрусмые точки А - а 1№1П]к шшн пил полтиной росткркп. В - пои тгаптч копиям с» и С — н уровне ищц свай на 'р;нп ;. аырсишшт фротвит шкскш.

окружающего грунта.

Таким образом, расчетная схема включает в себя одну сваю, фрагмент ростверка и объема грунта. После приложения нагрузки, равномерно распределенной по поверхности ростверка. Фиксируются осадки в характерных точках.

Приведенный модуль деформации вычисляется по следующей формуле:

„ _БЛ - (Ба + 5С) / 2

Рис. 3. Расчетная схема к определению приведенной жесткости грунто-свайного массива

I

следовательно е = — р,

(10)

Приведенный модуль равняется

2

< Е >= 76,3 МПа.

Сравнение расчетных значений приведенного модуля деформации приведено в таблице 3.

Табл.3

Метод 3.1 Метод 3.2 Метод 3.3 Метод 3.4

<Е>, МПа 126,2 126,06 126,12 76,3

Сравнение модулей деформации показывает, что методы 3.1-3.3 дают одинаковые значения. Расхождение значений с методом приведенного модуля деформации грун-то-свайного массива, связано с тем, что в нем учитывается сжатие грунтоцементных колонн и объемов грунта, лежащих выше и ниже укрепляемого слоя. Тем самым уменьшается значение деформационных характеристик.

4. Расчеты осадки фундаментной плиты на основании, усиленном системой грун-тобетонных колонн

Рассмотрен случай укрепления массива помощью устройства грунтобетонных колонн (рис. 16). Длина колонн составляет 10,0 м.

Расчет осадки плиты на усиленном грунте выполнены с применением следующих методов:

1. Метод послойного суммирования деформаций (СНиП и СП).

2. Методом конечных элементов выполнен расчет осадки плитного фундамента с использованием эффективных характеристик усиленного грунта. Эквивалентный модуль деформации < Е >= 126,12 МПа.

3. Методом конечных элементов выполнен расчет осадки с учетом неоднородной структуры усиленного грунта путем моделирования каждой колонны.

Результаты расчета осадки плитного фундамента на укрепленном основании с использованием различных методов, регламентированных в научно-технической литературе, приведены в таблице 4.

Табл.4

СНиП СП Расчет МКЭ, (Эквивалентные характеристики) Расчет МКЭ (сваи) Расчет МКЭ, слой с приведенным модулем деформации ГСМ

Средняя осадка, см 6,89 6,68 9,73 11,29 19,15

Выводы

Закрепление слоя определенной мощности по технологии струйной цементации грунтов позволяет улучшить деформативные характеристики грунтов, снизить величину осадки сооружения и добиться снижения стоимости укрепления грунтов.

Применение эквивалентных характеристик грунтов позволяет упростить расчетную модель и оценить НДС грунтового массива.

Расхождение значения осадки, вычисленной с учетом эквивалентных характеристик и моделированием неоднородной структуры грунта составляет не более 13%.

4/2010 М1 ВЕСТНИК

Приведенный модуль деформации грунто-свайного массива имеет завышенные значение, по сравнению с другими методами, т.к. он содержит в расчетной модели грунты, лежащие выше и ниже укрепляемого слоя.

Литература:

1. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. Пермь: Пресстайм, 2007 г.

2. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. M: АСВ, 2005 г.

3.Беспалов. А.В, Тер-Мартиросян А.З., Применение методики приведенного модуля деформации при расчете массивных свайных ростверков в основании высотных зданий, //Вестник МГСУ, №2,2008 г.

Literature:

1. Malinin A.G .Jet groutng.Perm: Presstaym, 2007

2. Ter-Martirosyan ZG. Soil mechanics. M: The ACB, 2005

3.Bespalov. A.V, Ter-Martirosyan, A.Z, Application of the technique of the reduced modulus of deformation in the calculation of the massive pileworks at the base of tall buildings, Vestnik MSSU, № 2,2008.

Ключевые слова: струйная цементация грунтов, слабый грунт, метод равных деформации, эквивалентная среда, грунтобетонные колонны, полидисперсная модель, приведенный модуль, эффективные характеристики.

Keywords: jet grouting, weak soil, equal-strain method, equivalent media, soil-concrete columns polydisperse models, reduced module, effective characteristics.

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»