Совершенствование теоретических основ и практических методов применения струйной цементации грунтов в конструктивных решениях транспортных сооружений. (

На правах рукописи

Черняков Андрей Валерьевич

Совершенствование теоретических основ и практических методов применения струйной цементации грунтов в конструктивных решениях транспортных сооружений.

(05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва, 2011 г.

Работа выполнена в ООО «НПО «Космос»

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Добров Эдуард Михайлович

Доктор технических наук, профессор

Безродный Константин Петрович

Доктор технических наук, профессор

Зерцалов Михаил Григорьевич

Ведущая организация ОАО «ЦНИИС»

Защита состоится 29 марта 2012 г. в ……. часов на заседании Диссертационного совета ВАК РФ Д 212. 126. 02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.42, телефон для справок (499) 155-93- 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просьба высылать в двух экземплярах по адресу диссертационного совета, а копию отзыва просим прислать на адрес электронной почты «[email protected]».

Автореферат разослан «_______» ______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Кандидат технических наук, профессор _________ Борисюк Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Крупномасштабное строительство транспортных сооружений, осуществляемое в настоящее время, предполагает проведение работ также в условиях сложной гидрогеологической обстановки, на слабых, обводнённых или структурно неустойчивых грунтах различного генезиса, состава и состояния. При этом возникает необходимость в укреплении стен и откосов глубоких котлованов, оснований и фундаментов путепроводов, мостов и тоннелей, в устройстве поддерживающих и ограждающих конструкций, противофильтрационных и противосуффозионных завес и пр.

С этой целью используют буронабивные сваи и др. конструкции из бетонных или железобетонных элементов, а также различные технологии укрепления грунта, такие, как замораживание, силикатизация, цементация или смолизация. Однако, указанные технологии, как правило, связаны со значительными объёмами земляных работ, требуют существенных материальных и финансовых затрат, больших площадей и переноса существующих коммуникаций или транспортных потоков, характеризуются длительными сроками возведения конструкций и динамическим воздействием на близлежащие здания и сооружения, а также значительной экологической нагрузкой на природную среду.

Лишённой многих указанных недостатков является струйная технология цементации грунтов (jet-grouting). Она высокопроизводительна, позволяет создавать грунтоцементные конструкции различных размеров и форм (сваи, горизонтальные или наклонные площадки, стенки, своды и др.) на различной глубине, проводить работы с дневной поверхности или из подвалов и т.п. помещений, что особенно важно в стеснённых городских условиях, не ухудшает экологическую обстановку. Несомненным достоинством струйной технологии является её гибкость, манёвренность, возможность оперативно, по мере необходимости, корректировать принятые технологические режимы.

Однако, при всех достоинствах технологии jet-grouting, в настоящее время её применение сдерживает отсутствие надёжного прогноза прочности и геометрических размеров получаемого материала и конструкции, что существенно затрудняет назначение расчетных параметров и проектных характеристик. Кроме этого, не определены условия применения jet-технологии в сочетании с традиционными технологиями геотехнического строительства. Практически не используется такой резерв повышения эффективности, как химические добавки, несмотря на их широкое применение в других областях строительства.

В связи с этим, потребовалось провести дополнительные теоретические и опытно-экспериментальные исследования и обобщить накопленный опыт использования струйной технологии, определить оптимальные условия и алгоритм её применения в транспортном строительстве в сложных гидрогеологических условиях.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей

диссертационной работы является совершенствование теоретических основ и практических методов применения струйной технологии при строительстве транспортных сооружений в условиях обводнённых, слабых и структурно неустойчивых грунтов.

По сути, надо обеспечить предсказуемость свойств материала и проектных характеристик конструкций, возводимых в грунте высокопроизводительным методом струйной цементации, и повысить её эффективность.

В соответствие с поставленной целью в работе предусматривалось решить следующие задачи на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований:

– разработать структурно-технологическую модель грунтобетона, получаемого по струйной технологии, позволяющую выполнить расчёт, подбор и корректировку его состава и принятых технологических режимов, и осуществить прогнозную оценку его прочности, однородности, поровой структуры и долговечности (морозостойкости, коррозионной стойкости);

- определить условия рационального применения химических добавок в струйной технологии, оценить достигаемый при этом эффект;

- разработать эффективные конструктивные и технологические решения с использованием струйной технологии при сооружении транспортных объектов в условиях слабых, обводнённых и структурно неустойчивых грунтов, в том числе, в виде сочетания с традиционными технологиями и конструкциями;

– предложить методику прогноза расчетной прочности грунтобетона в струйной

технологии на основе имеющейся базы региональных данных, полученной на конкретных объектах строительства;

- разработать и внедрить комплексную систему научно-инженерного сопровождения строительства транспортных объектов с применением струйной технологии, в том числе, в мегаполисе;

- разработать нормативно-методическую документацию, обеспечивающую дальнейшее применение предлагаемых конструктивных и технологических решений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы:

- разработана структурно-технологическая модель грунтобетона как мелкозернистого (песчаного) бетона, содержащего агрегаты связного грунта различной природы и структуры; в модели предложено оценивать влияние таких агрегатов на прочность грунтобетона по аналогии с влиянием вовлечённого воздуха в традиционном цементном бетоне; теоретически и экспериментально обосновано применение данной модели для подбора и корректировки состава грунтобетона, прогноза его прочности, однородности и долговечности;

- исследовано влияние различных технологических и конструктивных факторов на возможные отклонения в положении грунтобетонной сваи по глубине (длине) от проектного (в предположении нормального распределения отклонений); показана значимая роль в обеспечении точности их расположения однородности грунтобетона и порядка устройства секущихся грунтобетонных свай;

- исследовано динамическое воздействие на подземные сооружения цементного раствора, выходящего под давлением из форсунок монитора, на основе анализа процессов его фильтрации через грунт и движения в грунтовом массиве, как затопленной водяной струи; показано влияние вида и свойств грунта, технологических параметров струйной технологии, а также уровня грунтовых вод на происходящие процессы;

– теоретически и экспериментально определены условия рационального применения химических добавок в струйной технологии; показано, что разработанная автором химическая добавка КДСЦ на основе этил- и метилсиликонатов натрия или калия снижает гидродинамическое сопротивление водоцементной струи в трубопроводах и мониторе, оказывает дезагрегирующее действие на грунт, повышает связность грунтобетонной смеси (препятствует её расслоению) и однородность грунтобетона, ускоряет темп его твердения;

- установлено, что применение добавки КДСЦ в струйной технологии позволило увеличить эффективный размер получаемой грунтобетонной конструкции, повысить однородность грунтобетона и снизить водоцементное отношение раствора при неизменном применяемом оборудовании и обычных режимах его работы, и, как следствие, уменьшить количество необходимых свай;

– предложена методика определения расчетных показателей грунтобетона в струйной технологии на основе имеющейся региональной базы данных с помощью

метода статистической обработки результатов, используемого в инженерной геологии (графо-аналитический способ Н.Н.Маслова-З.В.Пильгуновой);

- теоретически обоснованы и экспериментально выявлены особенности бокового трения грунтобетонной сваи о грунт в процессе её нагружения; определены перспективы применения и приведены конкретные примеры использования грунтобетонных свай в сочетании с традиционными бетонными и железобетонными конструкциями геотехнического назначения (буронабивными сваями, ростверками и пр.);

– на основе представлений о многофакторности струйной технологии, структурно-технологической и гидродинамической её моделей обоснован состав научно-инженерного сопровождения строительства, от геологической разведки грунтового массива до экспертной оценки данных мониторинга строительства.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обосновывается полученными лабораторными и натурными экспериментальными данными по прочности, однородности и долговечности материала и несущей способности нового типа конструкций, запроектированных и построенных с учётом предложенной модели струйной технологии на основе общепринятой теории прочности бетона.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

– результаты теоретических и лабораторных исследований и опытного применения струйной технологии цементации грунтов в геотехническом транспортном строительстве;

– разработанные новые варианты конструкций различного назначения с использованием jet-технологии, в том числе, в сочетании с традиционными технологиями и конструкциями элементов транспортных сооружений;

- разработанные новые технологические решения при использовании jet-технологии в зависимости от природы укрепляемого грунтового массива и расположения существующих зданий и сооружений в зоне строительства;

– результаты лабораторных и натурных исследований грунтобетона и практический опыт применения комплексной химической добавки КДСЦ в струйной технологии;

– разработанная структурно-технологическая модель грунтобетона в струйной технологии при строительстве конструкций транспортных сооружений;

– методика обобщения базы региональных данных по плотности и прочности грунтобетона в струйной технологии;

– комплексная система научно-инженерного сопровождения строительства транспортных сооружений с использованием струйной технологии цементации грунтов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

– впервые при сооружении транспортных объектов в Российских условиях осуществлено широкомасштабное системное применение струйной технологии;

- доказана эффективность использования на обводнённых, слабых и структурно неустойчивых грунтах секущихся jet-свай, расположенных горизонтально, вертикально и под определённым углом, в том числе, армированных, при устройстве фундаментов и др. аналогичных сооружений, а также горизонтально, в виде противофильтрационных завес и подобных конструкций;

- на основе инженерных расчётов и практики строительства подтверждена высокая эффективность использования при сооружении объектов транспортного назначения на участках обводнённых и структурно неустойчивых грунтов комплексных конструктивных решений, использующих jet-технологию и традиционные технологии ( с устройством, в том числе, буронабивных свай, железобетонных ростверков и пр.);

– выявлены рациональные режимы струйной технологии в зависимости от предлагаемых конструктивных решений и условий строительства;

– разработана и широко внедрена в практику струйной технологии комплексная химическая добавка КДСЦ; установлены оптимальные условия применения комплексной химической добавки КДСЦ в составе водоцементного раствора в струйной технологии;

- определено эффективное расположение устьев секущихся вертикальных и горизонтальных грунтобетонных свай;

- на основе теоретических расчётов и практического применения установлены безопасные границы производства работ по устройству грунтобетонных конструкций от существующих зданий и сооружений и коммуникаций в зависимости от режимов струйной технологии;

– разработаны технологические регламенты и стандарты организации для проведения работ по струйной цементации грунтов при выполнении геотехнических работ в транспортном строительстве;

– разработана и реализована комплексная система научно-инженерного сопровождения работ при использовании струйной технологии, от геологической разведки грунтового массива до экспертной оценки данных постоянного мониторинга строительства.

Суммируя изложенное, можно сказать, что на основе научно-обоснованных методов разработаны документы нормативного характера, которые позволяют существенно повысить управляемость процессом высокопроизводительной струйной технологии и предсказуемость достигаемых результатов.

АПРОБАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований автора были

доложены на: конференции Тоннельной ассоциации России 29.10.2002г на тему «Некоторые особенности строительства тоннельно-эстакадного участка 3-его транспортного кольца в Лефортово», Герсевановских чтениях 24.03.2010г, г.Москва, на тему: "Проблемы сооружения уникальных строительных объектов в России"; Международной конференция "Российский опыт и развитие инновационных технологий при строительстве тоннельных объектов в г.Сочи", 8-10.02.2011, г.Сочи; на IV Транспортном конгрессе-2011, на круглом столе "Транспортные тоннели для будущих скоростных магистралей", 16.03.2011, г.Москва. Результаты исследований автора вошли в проекты, стандарты организаций и технологические регламенты по созданию транспортной инфраструктуры и по сооружению уникальных строительных объектов (при реставрации исторических зданий и сооружений в условиях мегаполиса).

По материалам диссертации опубликовано 20 статей. Новизна исследований защищена 22 патентами и авторскими свидетельствами.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований автора нашли применение при реконструкции Ленинградского проспекта в г.Москве, при проведении строительных работ на транспортных объектах в г.Перми, г.Казани, при строительстве кольцевой автомобильной дороги и строительстве второй сцены Мариинского театра в г.Санкт-Петербурге, а также в при проведении работ по реконструкции в Государственном заповеднике «Царицыно» в г.Москве и ещё на ряде объектов (всего 13 объектов).

ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Основной текст содержит 320 страниц машинописного текста, 38 рисунков, список литературы, включающий 280 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ показана актуальность применения струйной технологии цементации грунтов при строительстве транспортных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях, при слабых, обводнённых и структурно неустойчивых грунтах (илы, мягко-пластичные глинистые, торфянные и пр.), обусловленная потребностями современного крупномасштабного строительства.

Обоснована цель, сформулирована научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты опубликованных исследований и обобщён опыт применения струйной технологии в геотехническом строительстве, сформулированы задачи исследования.

Струйная технология предусматривает бурение скважины на заданную глубину и подачу водоцементного раствора в грунтовую толщу при непрерывном или шаговом подъёме буровой штанги через форсунки гидромонитора, расположенного в её нижней части (технология jet-1). Для jet-2 и jet-3, соответственно, установлена дополнительная подача в грунт воздуха и воды.

Струя водоцементного раствора под напором размывает и перемешивает грунт с

цементом и водой. В результате последующего гидратационного твердения цемента

получается укреплённый цементом грунт или грунтобетон.

Описание и управление процессами в струйной технологии осуществляют на основе модельных представлений, принятых в технологии гидромеханической обработки грунтов и в различных технологиях укрепления грунтов цементом.

Исследованию струйного размыва грунта водой и воздухом, укрепления грунтового массива с помощью частичной его замены цементным или цементо-песчаным водным раствором у нас в стране посвящены работы П.Г.Романкова, С.Д.Воронкевича, Л.И.Малышева, А.Г.Малинина, М.Ф.Хасина, И.И.Бройда, В.Н.Королькова, С.Г.Богова, М.И.Смородинова, Б.С.Фёдорова и др. авторов. За рубежом эти вопросы изучали Abramson L.W., Yahiro, T., Yoshida, H., Guatteri, G., Kauchinger, J.L., Doria, A.C., Perry, E.B., Bruce D.A., Chu E.K., Nicholson P.J. и др.

Разработанные ими гидродинамические модели, как правило, основаны на допущении о ламинарном течении затопленной водоцементной струи через грунт, находящийся в естественном состоянии. В струйной технологии они позволили получить приблизительные оценки размеров грунтобетонных конструкций и сделать важный вывод о преобладающем влиянии на их величину двух факторов, давления и импульса струи на выходе из гидромонитора.

В струйной технологии для оценки прочности грунтобетона и расходов цемента, обычно, используют структурно-технологические модели укреплённых грунтов или бетонов. Такие модели нашли широкое применение при разработке составов и технологий устройства различных дорожных и аэродромных конструкций, что отражено в работах В.М.Безрука, Ю.М.Васильева, В.Д.Глуховского, Б.А.Ржаницына, А.Я.Тулаева, А.В.Линцера, Э.М.Доброва, Gorrens C. W, Bilfinger R., Buchholz H., Paulmann G. и др. Не менее обширны исследования структуры и свойств цементных бетонов в транспортном строительстве. Этой проблематике посвящены труды Б.Г.Скрамтаева, Ю.М.Баженова, Ф.М.Иванова, С.В.Шестопёрова, О.Я.Берга, В.В.Стольникова, О.В.Кунцевича, А.Н.Защепина, T.C.Пауэрс, Ф.М.Ли, Р.Блэнкс, Г.Кеннеди, Р.Лермит, Ю.Сторк и др.

В частности, в отмеченных работах показана значимость влияния на прочность

бетона и укреплённого цементом грунта водоцементного отношения (В/Ц), активности вяжущего и степени уплотнения смеси как основных факторов. В струйной технологии для оценки прочности грунтобетона, также, обычно, используют зависимости его прочности в виде R~(В/Ц)-2.

Отечественные авторы (И.И.Бройд, М.Ф.Хасин) дополнили указанную зависимость влиянием влажности и пористости грунта в обобщённом виде:

Rw=106·2, Па.

Для сухих грунтов, Wгр=0,

Rс=2, Па. (1.1)

Здесь Rw – прочность грунтобетона на влажном грунте, Rс – на сухом, Ц – содержание цемента в грунтобетоне, кг/м3, gц, gв - плотность зёрен цемента и воды, кг/м3, Пгр - пористость исходного грунта, м3/м3, Wгр – его влажность, % по массе.

Однако, получаемые здесь оценки прочности грунтобетона оказались воспроизводимыми для несвязных грунтов и существенно отличаются от фактических результатов для связных. Представление любого грунта как несвязного, отличающегося только влажностью и пористостью, заполняемой водой или водоцементным раствором, не учитывает, что связный грунт может содержать частицы также в виде агрегатов, где вода находится в связанном состоянии и где её нельзя рассматривать как свободную воду. Эта принципиальная особенность струйной технологии, отличающая её от технологии бетонов, затрудняет использование таких моделей для разных по структуре, составу и свойствам грунтов с целью прогнозной оценки прочности грунтобетона.

Известен феноменологический подход (А.Г.Малинин), основанный на использовании не абсолютных, а относительных величин прочности, что позволяет обойти рассмотрение сложной структуры грунтобетона. Т.е., предлагается для любого грунта величину В/Ц=1 и содержание цемента в грунтобетоне Ц=450кг/м3 принять «стандартными», эталонными величинами, а затем использовать переходные коэффициенты для каждого конкретного случая.

Например, по данным лабораторных исследований для гравийно-галечникового грунта при В/Ц=0,7 прочность на сжатие грунтобетона увеличивается, приблизительно, в 2,1 раза по сравнению с В/Ц=1,0, R0,72,1R1,0.

Но такой подход исключает возможность подбирать и корректировать состав грунтобетона в связи с его структурой и свойствами грунта и целенаправленно управлять технологией работ.

При всей отмеченной выше сложности моделирования и управления, струйная технология цементации грунтов интенсивно развивается последние 20-30 лет. Первые экспериментальные работы по применению струйной технологии были выполнены японской компанией «Каджима корпорейшн». Затем её разрабатывали и применяли в США, Швеции, Италии, Германии, Китае и в других странах фирмы «Кемикал граутинг», «Келлер», «Шандунг Тайан граутинг», «Родио», «Инъектоджет», «Паккиози», «Обояшигуми», «Бауэр» и др. В 1980-ые годы струйную технологию в нашей стране стали применять «Гидроспецпроект», «НИИОСП», «Ингеоком», «Инженерное бюро Юркевича», «НИИпромстрой» (г. Уфа), «ВНИИГиМ», «Гидроспецстрой», «Геосистема», «Интермелиорация», «Геореконструкция», «Космос» и др.

Струйная технология оказалась эффективной при сооружении искусственных оснований, подпорных стен, ограждений котлованов, противооползневых конструкций или противо­фильтрационных завес, при закреплении грунтовых массивов и др. на слабых или обводнённых грунтах, в сложной гидрогеологической обстановке. Её применение, в отличие от традиционных технологий, предоставило возможность точечного возведения геотехнических конструкций, с существенно меньшими затратами и в более короткие сроки.

В настоящее время накоплен значительный опыт, определены предпочтительные режимы и конструкции. Одновременно, практика применения струйной технологии выявило ряд важных проблем, ограничивающих её использование.

Струйную технологию в настоящее время отличает низкая предсказуемость и высокая неоднородность получаемых результатов, что подтверждает сложность

моделирования происходящих в ней процессов и затрудняет прогнозирование и

назначение расчётных параметров грунтобетона и получаемых конструкций.

В струйной технологии практически не применяют химические добавки, несмотря на их широкое применение в бетонах, укреплённых грунтах или цементных растворах, что ограничивает возможности повышения её эффективности. Простое копирование известных технических решений по применению пластифицирующих добавок в струйной технологии часто приводило к отрицательным последствиям в виде расслоения грунтобетонной смеси и повышения неоднородности грунтобетона.

Недостаточно изучены возможности комплексного использования грунтобетонных и традиционных конструкций в геотехническом строительстве (например, не определены условия оптимального сочетания jet- и буронабивных свай, бетонных и железобетонных ростверков и др.), что также сдерживает применение струйной технологии.

В соответствие с изложенным, в главе были сформулированы задачи исследования (рис.1), направленные на совершенствование струйной технологии, на создание грунтобетонных конструкций с предсказуемыми характеристиками по прочности и геометрическим размерам.

Рис.1. Состав и содержание исследований.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлена разработанная автором общая программа исследований, предусматривавшая выполнение аналитических, лабораторных, полевых и камеральных работ, в том числе, с привлечением соответствующих специализированных организаций (НИИОСП, НИИЖБ, ЦНИИС, МГУ, Союздорнии и др.) и используемые методы исследований.

Подробно применяемые методы исследований представлены в соответствующих главах диссертации.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрена предлагаемая структурно-технологическая модель грунтобетона, проанализированы условия эффективного применения химических добавок в струйной технологии и представлены результаты лабораторных исследований.

Эта глава имеет принципиальное значение, т.к. в ней представлена впервые разработанная модель грунтобетона, позволяющая прогнозировать свойства

получаемого материала при струйной цементации и, следовательно, назначать проектные прочностные характеристики конструкций.

В работе на основе теоретического анализа особенностей струйной технологии и существующих её модельных представлений предложена структурно-технологическая модель, учитывающая основные отличия струйной технологии от традиционных технологий бетона или укрепления грунта цементом:

- отсутствие раздельного дозирования компонентов грунтобетонной смеси и возможности изменить характеристики существующего на данном объекте грунта;

- высокое водосодержание грунтобетонной смеси и наличие в ней агрегатов связного грунта.

Оценить состав грунтобетона, получаемого по струйной технологии, предложено на основе баланса материальных потоков в установившемся, стабильном технологическом процессе. При этом, фактическое содержание цемента в расчёте на

погонный метр конструкции (Ц*, кг/пог.м) может быть найдено по формуле (3.1):

Ц*==. (3.1)

Здесь Q – расход водоцементного раствора (л/мин), соответствующий возможностям технологического оборудования, (В/Ц)* - его водоцементное отношение, * - время прохождения одного погонного метра конструкции гидромонитором (мин), gц, gв - плотность зёрен цемента и воды (кг/л), Кизл - доля изливов в получаемой грунтобетонной смеси.

Содержание цемента в одном кубическом метре получаемой грунтобетонной смеси, Ц, как принято в технологии бетона, определяется с учётом объёма одного погонного метра конкретной грунтобетонной конструкции. Далее определяют начальное водосодержание грунтобетонной смеси, В=Ц·(В/Ц)*, и грунта как заполнителя, методом абсолютных объёмов.

Таким образом, показано, что, регулируя режимы струйной технологии с помощью величин Q, (В/Ц)*, скорости подъёма монитора, определяя величину Кизл, для конкретных конструкций, можно рассчитать начальное содержание компонентов получаемой грунтобетонной смеси в расчёте на один кубический метр,

как в технологии бетона, для сухих материалов. При этом, содержание несвязной

части грунта в грунтобетоне (Гз) и части (Га), представленной агрегатами связного

грунта, могут быть определены по формуле (3.2) по методу абсолютных объёмов, принятом в технологии бетона:

Гз=gз·, Га=gа, (3.2)

где Кг=(gз/gа) - отношение плотностей зёрен и агрегатов зёрен данного грунта;

Ха – доля агрегатов зёрен грунта в общем содержании грунта как заполнителя грунтобетона, % по массе.

Далее, в расчётные начальные составы грунтобетона следует внести корректировку по влажности грунта, которая оказывается различной для связного и несвязного грунта. Особенность струйной технологии проявляется здесь в том, что влажность грунта не компенсируется отдельным дозированием воды затворения, как в технологии бетона, а изменяет содержание всех составляющих грунтобетона.

Для исходного несвязного грунта при влажности (Wз, % по массе) откорректированная величина (В/Ц)=(В/Ц)Wз получаемой грунтобетонной смеси

составит:

(В/Ц)Wз=(В+0,01Гз·Wз)/Ц=()нач+ (3.3)

В отличие от несвязных (зернистых) грунтов, для связных грунтов вода в порах агрегатов частиц не является свободной. Влажность связного грунта проявляет своё влияние на свойства грунтобетона не через изменение В/Ц грунтобетона (именно так было в существующих моделях), а посредством влияния на пористость, плотность и прочность агрегатов.

Принципиальная трудность предложенной модели грунтобетона состоит в том, что фактически неизвестно, сколько существует агрегатов частиц в исходном связном грунте в естественном состоянии и сколько их останется после размыва его струёй водоцементного раствора и последующего перемешивания в конкретных условиях строительства (как определить величину Ха), какой по величине и структуре пористостью они обладают, как эта пористость повлияет на все свойства грунтобетона.

В настоящей работе указанную трудность при моделировании состава грунтобетона предложено преодолеть, рассматривая агрегаты частиц связного грунта и их поры (воздушные и капиллярные) обобщённо и учитывая во влиянии на прочность грунтобетона, как величину, аналогичную некоторому эквивалентному объёму вовлечённого воздуха в бетонной смеси, как Vвэкв=(1-ф/р)·100, %. Здесь ф и р – фактическая и расчётная плотности грунтобетонной смеси.

Это позволило, в рамках предложенной модели, основываясь на известных зависимостях для бетона, оценить прочность грунтобетона. При этом параметр Ха является лишь вспомогательным компонентом, задаваемым на стадии подбора и позволяющим рассчитать состав получаемого в струйной технологии грунтобетона, определить величины плотности ф и р, необходимые для определения Vвэкв и прогноза его прочности.

Рис.2 иллюстрирует эту взаимосвязь для лабораторной серии испытаний грунтобетонной смеси на сухом грунте (супесь, Wгр=0), состава Ц:Г:В=1:5:1, gз=2700кг/м3, gа=1750кг/м3.

Рис. 2. Взаимосвязь ф и Vв и доли агрегатов связного грунта, Ха.

Например, основываясь на предложенной модели, можно сделать вывод, что данная грунтобетонная смесь, с точки зрения влияния на прочность получаемого из неё грунтобетона, ведёт себя как мелкозернистая бетонная смесь с объёмом вовлечённого воздуха (эквивалентной величины для грунтобетонной смеси) в диапазоне 10-16%, в зависимости от применяемых химических добавок и В/Ц. Это позволяет в дальнейшем прогнозировать реальное поведение грунтобетона в струйной технологии на данном грунте (с учётом влажности грунтов на данной строительной площадке).

При этом, следует подчеркнуть, что для струйной технологии, согласно предложенной модели, величины р, (ф/р) и Vвэкв следует заново рассчитывать для каждого нового состава, для каждой предполагаемой влажности грунта.

В работе применительно к грунтобетону на основе сравнительного анализа известных в технологии бетона зависимостей его прочности от В/Ц и объёма вовлечённого воздуха была выбрана дополненная зависимость для мелкозернистого (песчаного) бетона (рис.3, для ПЦ 500):

R=0,5Rц(Ц/В-0,5)(1-0,05Vв), (3.4)

где R, Rц – прочности бетона и цемента (по ГОСТ 310.4), соответственно,

Vв – объём воздуха в бетонной смеси, в процентах.

Рис.3. Зависимость прочности мелкозернистого бетона от водоцементного

отношения для разного объёма вовлечённого воздуха.

Лабораторные испытания образцов грунтобетона на прочность показали большую близость фактических результатов с расчётом по формуле (3.4), подтвердили обоснованность её выбора. Одновременно, показано существенное отличие от расчёта по формуле (1.1) для сухого грунта или от оценки прочности грунтобетона, предложенной А.Г.Малининым, для В/Ц1 (рис.4,5).

Предложенная модель позволила:

- рассчитать лабораторные составы грунтобетона при подборе его состава;

- выявить основные закономерности поведения получаемой грунтобетонной смеси и грунтобетона на материалах, используемых в конкретных условиях строительства;

- на основе полученных лабораторных зависимостей фактической плотности и

Рис. 4. Оценка прочности грунтобетона. В/Ц=1,0.

1-без добавок, 2-КДСЦ, 3-ЛСТ, 4-С-3, 5-Sika.

Рис. 5. Оценка прочности грунтобетона. В/Ц=0,7.

1-без добавок, 2-КДСЦ, 3-ЛСТ, 4-С-3, 5-Sika.

Здесь ф – фактические результаты, р - расчёт по формуле (3.4), б – расчёт по формуле (1.1), по Бройду-Хасину, м – расчёт по Малинину, R0,72,1R1,0.

величины эквивалентного объёма вовлечённого воздуха от задаваемых значений Ха в грунтобетоне и сопоставления со значениями его плотности в производственных условиях (в полностью водонасыщенных образцах-кернах) получить информацию о

фактическом его составе и, при необходимости, внести соответствующие коррективы с помощью изменения расхода водоцементного раствора, варьируя скорость поднятия гидромонитора;

- оценить морозостойкость и коррозионную стойкость грунтобетона в связи с его составом и пористостью и объяснить его неоднородность не только разной влажностью грунта на стройплощадке, как предлагают известные модели, но также различием его агрегатного состава.

Анализ известных гидродинамических моделей применительно к струйной технологии позволил связать заданную энергию перемешивания грунта с водоцементным раствором (Е) с определённым диаметром создаваемой грунтобетонной колонны (D): скорость перемещения границы колонны во времени () пропорциональна скорости затопленной струи (V*) и обратно пропорциональна площади обрабатываемой поверхности (S):

; Е~D4. (3.6)

Здесь V*~1/D2, боковая поверхность колонны S~D.

Несмотря на приблизительность расчётов и значимость допущений, найденные автором закономерности позволили сделать важный вывод, что одним из направлений совершенствования струйной технологии может быть применение специальных химических добавок, снижающих трение в трубопроводах и вязкость водоцементного раствора и этим увеличивающих импульс струи на выходе из гидромонитора. При этом, химическая добавка в струйной технологии должна также выполнять те же функции, что и в традиционном цементном бетоне.

В работе в результате теоретического анализа и обобщения составов и опыта применения современных химических добавок в строительстве были сформулированы следующие требования к химической добавке. Добавка в струйной технологии должна:

- увеличивать импульс струи и, соответственно, эффективные размеры получаемых грунтобетонных конструкций при неизменных параметрах и режимах струйной технологии за счёт снижения гидродинамического сопротивления водоцементной струи в трубопроводах и мониторе, структурной вязкости и динамического предела текучести грунтобетонной смеси;

- повышать нерасслаиваемость, водоудерживающую способность грунтобетонной смеси и однородность грунтобетона, что также может увеличить эффективные размеры получаемых конструкций и уменьшить необходимое их количество;

- проявлять свойства ПАВ на границе твёрдых и жидких фаз, диспергировать агрегаты частиц связного грунта, облегчать его размыв (в силу эффекта Ребиндера), что может увеличить прочность и однородность грунтобетона и размеры конструкций;

- ускорять твердение грунтобетона.

Выполненный анализ эффективности химических добавок различной природы в разных областях строительства, в том числе, на основе водорастворимого полиоксиэтилена или полиакриламида, г-метилцеллюлозы, известных добавок-суперпластификаторов и др., позволил сделать выбор в пользу комплексной добавки на основе этил- и метилсиликонатов натрия или калия (добавки КДСЦ, разработка автора).

В главе представлены результаты лабораторных исследований грунтобетона с комплексной химической добавки КДСЦ. На основе многочисленных результатов испытаний (всего испытано более 600 серий водоцементного раствора и грунтобетона разных составов) показано, что добавка КДСЦ показала наилучшие результаты по влиянию на прочность и однородность грунтобетона в струйной технологии (рис.4 - 6).

Предложенная в работе структурно-технологическая модель грунтобетона позволила объяснить некоторые особенности поведения химических добавок при их применении в струйной технологии. Здесь они проявились во влиянии на плотность грунтобетонной смеси не только за счёт снижения В/Ц, как в технологии бетона, но также за счёт дезагрегирующего (диспергирующего) действия на агрегаты связного грунта и на прочность грунтобетона: уменьшение величины Ха и Vвэкв

Рис.6. Кривые распределения значений прочности грунтобетона. В/Ц=0,7;

1 – без добавки; 2 – с добавкой КДСЦ.

соответственно повышает прочность грунтобетона. Это отличает применение добавок в грунтобетоне по струйной технологии от традиционного цементного бетона, где количество глинистых частиц в заполнителе строго ограничено и где указанный эффект не проявляется или незначителен.

Следует отметить, что лабораторное изготовление контрольных образцов не может полностью моделировать процесс струйной технологии. На практике, в получаемой грунтобетонной смеси может быть другое, чем в лаборатории, количество агрегатов связного грунта и, соответственно, другие величины плотности грунтобетонной смеси и эквивалентного Vвэкв. Это предполагает обязательное изготовление пробной конструкции (экспериментальной сваи) в струйной технологии для внесения коррективов в результаты лабораторных подборов составов грунтобетона. Лабораторные подборы состава грунтобетона – это только один из начальных этапов общей комплексной системы научно-инженерного сопровождения строительства.

Кроме этого, только в натурном эксперименте можно окончательно оценить технологические свойства применяемого водоцементного раствора и параметры получаемой грунтобетонной конструкции в струйной технологии, эффективность добавок и других технологических решений.

В частности, именно практический опыт применения струйной технологии показал, что с помощью добавки КДСЦ при неизменных параметрах и режимах применяемого оборудования (давления, мониторов и пр.), удалось снизить В/Ц* водоцементного раствора с В/Ц*=1,0 до В-Ц*=0,7-0,8, увеличить на 10-15% поперечный размер получаемых в струйной технологии свайных конструкций (например, увеличить диаметр грунтобетонных свай с 0,7м до 0,8м), уменьшить количества необходимых свай в разных грунтах.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ изложены основные положения предлагаемой методики назначения расчётной прочности грунтобетона в струйной технологии на основе имеющегося регионального опыта строительства, с помощью обобщения данных, полученных в конкретных инженерно-геологических условиях, и её применение для других объектов строительства. В работе предлагаемая методика представлена на примере обработки данных плотности и прочности грунтобетона в струйной технологии, полученных на строительстве транспортной развязки на Ленинградском шоссе в г.Москве.

Эта методика, наряду с результатами прогнозирования по структурно-технологической модели, позволяет независимо оценить и, при необходимости, корректировать и принять для инженерных расчётов более точные значения параметров грунтобетона и конструкций с учётом трудно-идентифицируемых

реальных технологических факторов.

В основе методики назначения расчётной прочности грунтобетона использован известный в инженерной геологии графо-аналитический метод статистической обработки результатов измерений, предложенный профессором Н.Н.Масловым и З.В.Пильгуновой, хорошо зарекомендовавший себя при большом разбросе исследуемых характеристик (например, при коэффициенте вариации определяемой величины, достигаемом 30-40%).

Предлагается два варианта решения:

– расчёт прочности по всей совокупности результатов испытаний грунтобетона на прочность;

– определение прочности грунтобетона по двухступенчатой схеме, когда используется дополнительно взаимосвязь прочности с плотностью.

Во втором варианте предварительно определяют расчётную плотность, а далее, для малой выборки значений вокруг расчётной плотности, определяют расчётную прочность.

В главе, в качестве примера, представлен 2-ой способ получение результатов определения расчётной прочности грунтобетона. Прочность грунтобетона на сжатие и его плотность определяли по результатам испытаний кернов, отобранных из грунтобетонных свай (всего 185 кернов).

На рис.7 представлен график рассеяния значений плотности грунтобетона, при исключении из рассмотрения 10% крайних (наибольших и наименьших) значений и объединении всех оставшихся значений в группы с шагом 50кг/м3, с осреднением внутри группы. Расчётное значение плотности грунтобетона определяли по «накопленной частости» результатов для заданного числа испытаний (табл.4.1).

В представленном примере, при количестве данных более 75, требуемая накопленная частость составила 40%, и соответствующая расчётная плотность - 1,82 г/см3.

Далее, аналогичным образом определяли расчетное значение прочности грунтобетона при полученном расчетном значении плотности (1,82 г/см3). С этой целью весь массив значений прочности разделяли на группы с шагом 1,0МПа, с осреднением внутри группы. Для диапазона величин плотности от 1,80г/см3 до 1,85г/см3, включающего расчетную плотность 1,82г/см3, были выбраны соответствующие значения прочности и аналогичным образом построены графики рассеяния и «накопленной частости» прочности грунтобетона. С учётом принятой точности группирования данных (± 0,5МПа) и их количества в выбранном диапазоне (10), гарантированное значение прочности составило Rгар=2,5–0,5 =2,0 МПа.

Таблица 4.1

Число измерений	<10	10-15	15-20	20-25	25-35	35-50	50-75	>75
Накопленная частость, %	0	10	15	20	25	30	35	40

Примечание: частота появления значения выражена в % общего числа

измерений.

В главе также представлен теоретический анализ влияния различных технологических факторов на отклонения оси скважины от проектного положения и фактического диаметра колонны, как случайных величин, подчинённых нормальному закону распределения, обоснован предложенный алгоритм бурения, исключающий влияние горизонтального градиента изменения физико-механических свойств грунта на прямолинейность скважины (рис.8).

Рис.8. Оптимальная последовательность бурения горизонтальных скважин.

1-8 – очереди бурения.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты опытно-экспериментального строительства с применением струйной технологии и внедрения разработанных конструкторско-технологических решений в транспортном строительстве в условиях обводнённых, слабых и структурно неустойчивых грунтов.

Поскольку практический материал достаточно обширен, в автореферате приведены краткие и во многом отрывочные сведения об объектах исследования, главным образом касающиеся специфики геологических условий, созданных подземных конструкций и методов испытаний.

Опытно - экспериментальные участки представляли собой реальные объекты транспортного строительства с использованием струйной технологии в городах Москве, С-Петербурге, Казани и Перми. В работе были рассмотрены также объекты, прямо не относящиеся к транспорту, но расположенные в непосредственной близости к объектам транспортного строительства. Ниже представлена информация только о части из 13 объектов.

Указанные работы предусматривали устройство ограждений котлованов при

строительстве транспортных развязок, усиление оснований сооружений, устройство подпорных стен и противофильтрационных завес.

Опытно - экспериментальные работы при реконструкции Ленинградского проспекта в г.Москве. Здесь грунтовая толща представлена, главным образом, песчаными разностями и подстилается на глубине порядка 25м глинистыми породами различной консистенции. Песчаная толща обводнена с глубины 9 - 10м и обладает плывунными свойствами.

Реконструкция дороги предусматривала устройство тоннеля шириной 50м и устройство транспортной развязки.

Тоннель представляет собой двухпролётное строение, под среднюю и крайние опоры которого изначальным проектом предусматривалось откопка котлована глубиной до 9м и устройство фундамента из буронабивных свай диаметром 1м, длиной 20м и более, с шагом 1,5м

В данных грунтовых условиях обеспечить необходимую несущую способность буронабивных свай, даже при длине 20м, не представлялось возможным. В связи с этим впервые было предложено осуществить комплекс мероприятий с использованием закрепления грунта по jet-технологии.

Усовершенствованный проект предусматривал:

– устройство столбчатых фундаментов под буронабивными сваями и jet-сваями размером 5х5м из грунтоцементных элементов диаметром 1м для передачи меньшей удельной нагрузки от сваи на песчаный неустойчивый грунт;

– устройство грунтоцементных столбчатых опор в виде массивов с внешней и внутренней стороны ограждающих стенок из буронабивных свай;

- устройство грунтоцементных массивов вокруг и в основании отдельно стоящих буронабивных свай, выполненных по первоначальному проекту, и более коротких, по предложенному нами решению.

Этапы строительства схематично представлены на рис.9. Прочность грунтобетона на одноосное сжатие в 28 суточном возрасте была не менее 1,0МПа.

В выполнении исследований на опытно-экспериментальном объекте по заданию «НПО Космос» участвовали АНО АНТЦ РААСН, ЦНИИС, ЭЛГАДТОП.

В ОАО ЦНИИС методом конечных элементов на компьютерной модели был проведен расчет несущей способности буронабивной сваи, опирающейся на массив из jet-свай. В результате получены картины распределения осадок, прогибов и вертикальных напряжений в грунтовом массиве с одиночной буронабивной сваей

Рис. 9. Этапы строительства предложенной несущей конструкции тоннельной обделки на участке реконструкции Ленинградского проспекта

в г. Москве.

и jet-сваями под нормативной нагрузкой и с буронабивной сваей, опирающейся на грунтоцементный массив. Проведенный расчет показал, что за счет применения для

укрепления грунтового массива jet-технологии несущая способность буронабивной

сваи возрастает с 525,7тс до 749,4тс, т.е. более, чем в 1,4 раза.

Результаты расчетов показали, что устройство основания из грунтоцементных элементов под буронабивные сваи позволяет снизить расчетные осадки с 6,7см до 2,4см.

Во всех работах по применению струйной технологии для повышения прочности

и однородности грунтоцементного материала и его коррозионной стойкости использовалась добавка КДСЦ в количестве 2,5% от массы цемента.

С целью оценки прочностных характеристик и сплошности грунтоцементных свай ограждения котлована на участке строительства были проведены геофизические исследования методом скважинной сейсмоакустики с использованием электроискрового источника колебаний и одноканальной сейсмоакустической аппаратуры «GEONT 13».

В результате проведенных испытаний установлено, что на момент исследования сваи являются сплошными и имеют средний диаметр 1,0м – 1,1м, а значение предела прочности для одного ряда свай находится в пределах от 1,9МПа до 2,6МПа, другого - от 1,2МПа до 4,0Мпа.

При разработке технического решения по повышению несущей способности по грунту буронабивных свай, более коротких по сравнению с проектным решением, но с ущирением их основания за счёт устройства грунтобетонных элементов, использовали известную зависимость проф. В.Г.Березанцева, определяющую критическую нагрузку на грунт

ркр = А(Dп/2) +Bгрh + Cc, т/м2 (5.1)

где Dп – диаметр площадки опоры сваи на грунт, м;

гр – удельный вес грунта толщи, т/м3;

h – величина заглубления, м;

с – сцепление грунта толщи, т/м2;

А, B, С – функции угла внутреннего трения грунта толщи, определяемые по табличным значениям.

Давление на грунт по уширенной подошве сваи не должно превышать величину

ррасч= ркр1,3, где 1,3 – коэффициент запаса.

Отсюда, если требуется обеспечить несущую способность сваи по грунту Qттр, то

( ррасч··D2тр):4>Qттр. Тогда Dтр [4Qттр/( ррасч·)]0,5, или

Dтр [4Qттр/(( А гр(D/2) +Bгрh + Cc))]0,5.

Если начальный диаметр опорной площадки сваи был D0, то необходимое увеличение диаметра должно составить Dтр=Dтр–D0.

На рассматриваемом опытно-экспериментальном объекте были также выполнены полевые испытания свай ударной нагрузкой по методу ЭЛДИ и методом статического нагружения (рис.10). Здесь в верхней части расположен график для сваи с усилением основания, нижний – без усиления.

Рис. 10. Зависимость несущей способности сваи от длины и площади

её основания.

Целью испытаний являлось определение предельного сопротивления сваи вдавливанию по грунту (несущей способности по грунту), в том числе по боковой

поверхности и по подошве.

Данные исследования, показали, что закрепление водонасыщенных песчаных грунтов в основании буронабивных свай по струйной технологии позволяет существенно повысить несущую способность и уменьшить требуемую длину буронабивных свай. В этом случае также снижается воздействие сооружения на гидрогеологический режим нижерасположенных грунтовых вод: он практически не изменяется и не возникает барражный эффект.

Разработанная технология устройства грунтоцементных массивов обобщена в четырех документах нормативного характера (в стандартах организации).

Также примером успешного применения струйной технологии закрепления стенок котлована, устраиваемого в толще слабых грунтов, может служить устройство крепления котлована при реконструкции Мариинского театра в г.С-Петербург.

Грунтовая толща в верхней части представлена слабыми водонасыщенными сильносжимаемыми грунтами, приобретающими плывунные свойства при динамическом воздействии. До 13,5м залегают озёрно-ледниковые отложения (пылеватые пески насыщенные водой, и суглинки текучей консистенции с тонкими прослоями водонасыщенного песка).

Первоначальным проектом предусматривалось крепление котлована с помощью шпунтового ограждения высотой 21м и устройство железобетонной стены в грунте. Однако экскавация грунта без устройства подпорной стенки на глубину 4м уже привела к существенным деформациям шпунтового ограждения и окружающей застройки.

В связи с создавшейся ситуацией было предложено устройство по контуру шпунтового ограждения вертикальной стены из армированных грунтоцементных свай и распорной плиты толщиной 2,0м в основании котлована на глубине 12м от поверхности земли из неармированных грунтоцементных свай (рис.11).

Распорная плита должна была обеспечить надёжное защемление шпунта в уровне дна котлована, ограничение притока воды в котлован из ниже расположенных слоёв

грунтовой толщи, в том числе и в случае прорыва напорных вод, и исключение аварийных осадок зданий и сооружений, расположенных на прилегающей территории.

По проекту грунтобетон распорной плиты должен был иметь прочность на сжатие не менее 1,0МПа и модуль деформации не менее 400МПа. Схема расположения в плане грунтоцементных элементов, формирующих распорную плиту, представлена на рис.12а.

Рис.11. Схема конструктивных решений крепления котлована с применением струйной технологии закрепления грунта.

Проектом предусматривалось устройство по технологии jet-1 стены в грунте из трёх рядов грунтоцементных свай вдоль внешнего периметра шпунтового ограждения (рис.12б). Она должна была увеличить жесткость наружного ограждения котлована и снизить возможные горизонтальные деформации шпунтового ограждения.

Рис.12. Схема расположения грунтоцементных элементов.

а- распорная грунтоцементная плита; б – ограждающая стена.

На данном объекте НПО «Космос» разработало программу испытания грунтобетонных элементов с помощью сейсмоакустических методов (ООО «Геодиагностика»). Для этого была пробурено 90 скважин и выполнено более 60 пар межскважинных сейсмоакустических испытаний.

По мере отрытия грунта из котлована вдоль всей стены через 20м производили бурение горизонтальных скважин с отбором грунтоцементных кернов. При этом было отмечено, что процесс закрепления грунта прослеживался по всей толще грунта и выше уровня распорной плиты.

Наблюдения за осадками окружающих зданий, проводившиеся в процессе разработки грунта в котловане, показало их совпадение с проектными значениями,

что подтвердило правильность выбранных конструктивных и технологических

решений.

Данные, полученные при испытании кернов в лаборатории, соответствовали данным сейсмоакустического контроля грунтобетонных конструкций и подтвердили соответствие материала плиты требованиям проекта.

В работе, в качестве примера эффективного применения струйной технологии на неоднородной грунтовой толще представлено выполнение работ при усилении исторических зданий на территории Государственного музея-заповедника «Царицыно». Проект реконструкции предусматривал углубление фундамента от 1,0м до 6,0м с подведением монолитных железобетонных фундаментов и устройство дополнительных подземных этажей.

Инженерно-геологический разрез участка представлял собой (с поверхности): насыпные грунты (пески, глины со щебнем из кирпича, строительный мусор) толщиной 0,3-0,8м; тугопластичные и полутвердые покровные глины пылеватые, подстилавшиеся песчаными разностными, - 1,1-2,8м; песчаные отложения - 2,5-4,5м. На глубине 6,5-8,5м четвертичные отложения подстилались нижнемеловыми песками мелкими, в том числе, водонасыщенными. Мощность нижнемеловых отложений составляла 11,0–13,0м. На глубине 15,5–18,0м вскрыт водоносный горизонт.

При разработке проекта усиления фундамента было принято решение использовать комбинированные сваи с уширением в нижней части из грунтоцемента, получаемого по методу jet-1, с учетом расчётной нагрузки в уровне низа заглубления фундаментов величиной 90-125тс.

Такие сваи по расчёту обеспечивали минимальную (по сравнению с другими

сваями) осадку и повышенную несущую способность (по двум группам предельных состояний).

Конструкция комбинированной сваи показана на рис.13. Комбинированные сваи устраивали с наклоном 11° к вертикали и объединяли поверху железобетонным поясом, ростверком из монолитного железобетона.

В работе были проведены сравнительные испытания комбинированных грунтоцементных, буронабивных и буроинъекционные свай. Для грунтоцементных свай был построен график «нагрузка-осадка», представленный на рис.14. Из графика видно, что несущую способность опытного фундамента на комбинированных грунтоцементных сваях можно принять равной 240тс. Соответствующая осадка армирующего элемента составила 7,25мм. Испытания подтвердили правильность выбора грунтоцементных свай в качестве несущих элементов усиления фундаментов.

Использование комбинированных грунтоцементных свай при проведении работ по усилению фундаментов зданий позволило существенно снизить сроки выполнения работ за счет распараллеливания отдельных этапов технологического цикла по их устройству. При этом удалось провести выемку грунтов без осадок зданий и снизить объемы работ по сравнению с первоначальным проектом — буроинъекционными сваями — с 4000 штук (Хлебный Дом) до 1040 шт. При усилении фундаментов Большого дворца было устроено 1950 грунтобетонных свай.

Рис.14. График «нагрузка-осадка».

Многофакторность и сложность управления струйной технологией, высокая ответственность сооружения транспортных конструкций потребовали разработать и применить комплексную систему научно-инженерного сопровождения работ. Она включала:

1) оценку инженерно-геологических условий объекта строительства;

2) выполнение предварительных работ по подготовке и устройству экспериментальной грунтобетонной сваи;

3) выполнение основных работ по строительству грунтобетонных конструктивных элементов;

4) мониторинг на стадии эксплуатации сооружения;

5) создание системы экспертной оценки принятия решений.

Соответствующие документы детально разработаны и утверждены как стандарты предприятия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Впервые предложена и обоснована структурно-технологическая модель

грунтобетона, получаемого по струйной технологии, как вариант мелкозернистого (песчаного) бетона. В модели влияние агрегатов связного грунта на прочность грунтобетона представлено аналогичным влиянию некоторого эквивалентного объёма вовлечённого воздуха в традиционном цементном бетоне. Экспериментально обосновано применение данной модели для подбора и корректировки состава грунтобетона, для осуществления прогноза его прочности, однородности и долговечности;

2. Определены условия эффективного применения химических добавок в струйной технологии. Показано, что применение в струйной технологии разработанной автором комплексной химической добавки КДСЦ позволяет увеличить эффективный диаметр получаемой грунтобетонной сваи на 10-15% и соответственно уменьшить их необходимое количество, повысить однородность грунтобетона и снизить водоцементное отношение раствора с 1,0 до 0,7-0,8 при неизменном применяемом оборудовании и обычных режимах его работы.

3. Разработана методика определения расчетных показателей прочности грунтобетона в струйной технологии на основе имеющейся региональной базы данных, позволяющая независимо уточнить полученные в структурно-технологической модели оценки.

4. Полученные результаты работы существенно повысили прогнозируемость прочностных и геометрических характеристик создаваемых грунтобетонных конструкций, что позволило впервые в России осуществить крупномасштабное применение высокопроизводительной и эффективной струйной технологии цементации грунтов при сооружении транспортных объектов.

5. Показана на практике высокая эффективность применения струйной технологии на обводнённых и структурно неустойчивых грунтах, обеспечиваемая на основе системного применения результатов проведенных теоретических и лабораторных исследований. Впервые предложены конструктивные решения, позволяющие сочетать струйную технологию с традиционными геотехническими технологиями.

6. Разработана комплексная система научно-инженерного сопровождения и

мониторинга строительства транспортных объектов при использовании струйной технологии, гарантирующая требуемое качество конструкций. Обоснован предлагаемый при этом состав работ, от предпроектных, включая лабораторный подбор составов грунтобетона, до обследования и оценки качества построенной конструкции с помощью неразрушающих методов и автоматизированной системы экспертной оценки технологических режимов производства работ на основе непрерывного мониторинга, осуществляемого в режиме реального времени.

7. По результатам выполненных исследований предложен ряд перспективных конструктивных решений, и разработаны нормативно-методические документы (регламенты, стандарты предприятий), обеспечивающие возможность дальнейшего широкого внедрения предлагаемых решений, а также получено 22 авторских свидетельства и патента.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях.

Рецензируемые журналы:

1.Черняков А.В. Повышение эффективности струйной цементации на основе специальных добавок. // Строительные материалы. – М., 2008. - № 5. - с. 51-53.

2. Черняков А.В. Расчет горизонтальных противофильтрационных завес, сооружаемой методом струйной цементации. //Строительные материалы.– М., 2008. - №9. - с.49-51.

3. Черняков А.В., Богомолова О.В., Капустин В.В., Владов М.Л., Калинин В.В.. Контроль качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации. //Технологии сейсморазведки. – М., 2008. - № 3. - с. 97 – 102.

4. Черняков А.В. Оценка динамических нагрузок на подземные сооружения при горизонтальной струйной цементации водонасыщенного грунта. //Основания, Фундаменты и Механика грунтов. – М., 2009. - №3. - с. 22-29.

5. Черняков А.В. Приближенная композиция и декомпозиция пространственных

течений. //Теоретические основы химической технологии. Т. 44. – М., 2010. - №3. -

с.334-340.

6. Черняков А.В. Струйная цементация грунтов при строительстве в условиях

плотной городской застройки. //Наука и техника в дорожной отрасли. – М., 2011. -

№ 3.- с. 62-66.

7. Черняков А.В. Применение «Jet-технологии» при строительстве транспортного тоннеля в мегаполисе. //Наука и техника в дорожной отрасли. – М., 2011. - № 3. - с. 58-61.

8. Черняков А.В. Применение струйной технологии цементации грунтов в условиях исторической застройки. //Жилищное строительство.– М., 2011. - № 9. - с. 24-26.

9. Черняков А.В., Безносов Г.С., Мартюшин Е.И., Гельперин Н.И. Многокомпонентная диффузия при гравитационном течении жидких пленок. //Теоретические основы химической технологии. Т. 25 - М., 1991г. - № 1. – с. 11 – 16.

10. Черняков А.В., Целиков В.А., Меламед Л.Э., Волынец А.З. Оценка гидродинамических неравномерностей в реакторах с ПС на основе модели потенциального течения несжимаемой жидкости. //Теоретические основы химической технологии, Т. 42. - М., 2008г. - №2. - с.146-151.

11. Черняков А.В. Применение технологии струйной цементации грунта при усилении фундамента и реконструкции исторических зданий на территории государственного музея-заповедника «Царицыно». //Основания. Фундаменты. Механика грунтов.– М., 2011. – №5. - с. 8 - 11.

12. Черняков А.В. Оценка долговечности грунтобетона в струйной технологии. //Строительные материалы. – М., 2011. - № 10. - с.59-63.

Другие печатные издания:

13. Черняков А.В., Адуйский Е.А, Веселовский В.Н, Меркин В.Е., Миллерман С.И. Тоннель под железной дорогой в Перми. //Метро и тоннели. - М., 2001. - № 3. - с. 23 - 25.

14. Черняков А.В. Применение инновационных разработок при строительстве

тоннелей в сложных градостроительных и инженерно-геологических условиях.

//Метро и тоннели. - М., 2011.- № 3 - с. 8-12.

15. Черняков А.В. Опыт строительства обхода Лефортово по тоннельно-

эстакадному варианту. //Метро и тоннели. № 5 - М., 2003.- с. 18-23.

16. Mushtayev V.I., Timonin A.S., Chernyakov A.V., Ryuzov A.G. Analytical evaluation of the influence of particles. //DRYING 84. - McGill University Monreal. – Monreal, 1984. - p.117.

17. Mushtayev V.I., Timonin A.S., Tyrin N.V., Chernyakov A.V. v, Levin A.V., Pahomov A.A. A mathematical model of a spiral dryer for fine Polydisperse materials. //DRYING 84. - McGill University Monreal. – Monreal, 1984. - p. 348.

18. Черняков А.В.. Особенности страхования строительных работ при струйных технологиях устройства оснований сооружений. //Материалы IV Всероссийской конференции по страхованию строительных рисков. «Страховая защита имущественных интересов членов СРО при изысканиях, проектировании и строительстве». - М., 2011. - с. 44-46.

19. Черняков А.В. Оперативное снижение деформативности ограждения котлована с использованием технологии струйной цементации. //Сборник «Проектирование и строительство подземной части нового здания (второй сцены) Государственного Академического Мариинского театра». – Санкт-Петербург, 2001. - с. 70-79.

20. А.В. Черняков, В.Н. Веселовский, Е.А. Адуйский. Опыт строительства тоннелей в Перми с использованием метода микротоннелирования. //Метро и тоннели. - М. 2001. - № 4 - с. 10 - 13.

Патенты и авторские свидетельства:

21.Черняков А.В., Черняков В.Г., Каешков С.Д., Козлов И.В., Подерегин А.Н., Смагин Ю.Н. Ограждающая стенка. Патент на полезную модель № 28499. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2003. - № 9 - с. 473.

22. Черняков А.В., Богомолова О.В. Водно-дисперсионная композиция. Патент на изобретение №2312118. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2007. - № 34. – с. 720.

23. Черняков А.В., Варыгин В.Н., Богомолова О.В., Федорова Е.К. Цементно-

песчаная композиция. Патент на изобретение № 2291129. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2007. - № 1. – с. 258.

24.Черняков А.В. Комплексная добавка для строительной смеси. Патент на изобретение № 2351560. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2009, - № 10. – с. 661-662.

25. Черняков А.В., Богомолова О.В. Конструкция усиления фундамента здания, сооружения. Патент на изобретение № 2354783. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М.,. 2009. - № 13. – с. 645.

26.Черняков А.В., Черняков В.Г., Каешков С.Д., Козлов И.В., Подерегин А.Н., Смагин Ю.Н. Способ возведения ограждающей стенки в грунте. Патент на изобретение №2204656. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2003. - № 14. – с. 446.

27. Черняков А.В., Богомолова О.В., Каешков С.Д., Варыгин В.Н., Варначев А.А. Способ закрепления грунта. №2209267. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2003. - № 21. – с. 536-537.

28. Черняков А.В., Богомолова О.В., Варыгин В.Н., Волынец А.З., Каешков С.Д., Калько, А.В., Козлов И.В., Цыкин Б.А. Способ разработки котлована. Патент на изобретение № 2209268. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2003. - № 21. – с. 537.

29. Черняков А.В., Веселовский В.Н., Малинин А.Г., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Конструкция тоннеля. Патент на изобретение № 2181413. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. - с. 306-307.

30. Черняков А.В., Козлов И.В., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Способ возведения тоннеля. Патент на изобретение № 2181414. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 307 - 308.

31. Черняков А.В., Бизюков А.П., Варыгин В.Н., Малинин А.Г., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Способ возведения тоннеля. Патент на изобретение № 2181415. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 308 – 309.

32. Черняков А.В., Веселовский В.Н., Каешков С.Д., Малинин А.Г., Селиванов

Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Способ возведения тоннеля. Патент на изобретение № 2181416. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. -

№ 11. – с.309 – 310.

33. Черняков А.В., Бизюков А.П., Малинин А.Г., Подерегин А.Н., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Способ возведения тоннеля. Патент на изобретение № 2181417. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 310 -312.

34. Черняков А.В., Козлов И.В., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Транспортный комплекс города. Патент на изобретение № 2181397. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М.,2002. - № 11. – с. 296-297.

35. Черняков А.В., Каешков С.Д., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Пересечение в разных уровнях транспортных магистралей. Патент на изобретение № 2181403. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 303 – 304.

36. Черняков А.В., Варыгин В.Н., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Пересечение в разных уровнях транспортных магистралей. Патент на изобретение №2181402. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 302 – 303.

37. Черняков А.В., Подерегин А.Н., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Пересечение в разных уровнях транспортных магистралей. Патент на изобретение № 2181400. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 301.

38. Черняков А.В., Козлов И.В., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Пересечение в разных уровнях транспортных магистралей. Патент на изобретение № 2181401. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 301 - 302.

39. Черняков А.В., Варыгин В.Н., Каешков С.Д., Козлов И.В., Подерегин А.Н., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Тоннель. Патент на изобретение № 2181412. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 305 – 306.

40. Черняков А.В., Козлов И.В., Селиванов Н.П., Смагин Ю.Н., Черняков В.Г. Способ регулирования и разгрузки пассажирских, грузопассажирских и грузовых потоков транспортного комплекса города (варианты). Патент на изобретение № 2181398. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2002. - № 11. – с. 297 - 299.

41. Черняков А.В., Богомолова О.В., Зеленин И.П. Ограждающая стенка. Патент на полезную модель № 51638. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2006. - № 6. – с. 792.

42. Черняков А.В., Черняков В.Г., Каешков С.Д., Козлов И.В., Подерегин А.Н., Смагин Ю.Н. Способ возведения буронабивной сваи. Патент на изобретение №2204651. //Бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - М., 2003. - № 14. – с.445.