Совершенствование способа устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий

На правах рукописи

ПЕТУХОВ Аркадий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА УСТРОЙСТВА
ИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ДЛЯ УСЛОВИЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ

05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2006

Работа выполнена в Томском государственном
архитектурно-строительном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Полищук Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пономарев Андрей Будимирович

кандидат технических наук, доцент

Нуждин Леонид Викторович

Ведущая организация: ГУП институт «БашНИИстрой»

(г. Уфа)

Защита состоится 7 июня 2006 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.265.02 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 5 мая 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета: Недавний О.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время постоянно увеличиваются объемы реконструкции и восстановления зданий, уплотняется существующая застройка городских территорий. При решении этих вопросов часто возникает необходимость упрочнения грунтов оснований и усиления фундаментов зданий. Однако в условиях слабых глинистых грунтов^[1] большинство из разработанных способов упрочнения грунтов оснований и усиления фундаментов зданий имеют ограниченную область применения.

Одним из наиболее распространенных способов усиления фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий является способ, который базируется на использовании инъекционных свай.

^[2] Их устройство в слабых глинистых грунтах сопряжено с применением специальных мероприятий по креплению стенок скважин. Эти мероприятия значительно усложняют технологический процесс изготовления свай и повышают стоимость реконструкции зданий. Кроме того, процесс формирования ствола инъекционных свай в слабых глинистых грунтах трудно прогнозировать, что ограничивает возможность их устройства с требуемыми геометрическими размерами. Совершенствование способов устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах позволит повысить эффективность их использования для условий реконструкции и восстановления зданий.

Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением ее разделов по госбюджетной теме: «Разработка новых и совершенствование существующих методов проектирования, устройства оснований и фундаментов реконструируемых зданий» (№ гос. регистрации НИР 01.2.003 04335) 2002 – 2004 гг.

Объект исследования – инъекционные сваи в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий.

Предмет исследования – влияние конструктивного решения инъекторов, режимов нагнетания бетонной смеси на формирование ствола и несущую способность инъекционных свай в слабых глинистых грунтах.

Метод исследования – экспериментальный, с использованием инъекционных свай длиной 1,5 – 3,5 – 5,0 м в слабых глинистых грунтах.

Цель работы – разработка способа устройства инъекционных свай для условий реконструкции зданий, обеспечивающего эффективность его применения в слабых глинистых грунтах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать способ устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий и выполнить его экспериментальное обоснование.
2. Установить влияние конструктивного решения инъекторов, давления нагнетания бетонной смеси, опрессовки грунта на формирование ствола и несущую способность инъекционных свай в слабых глинистых грунтах.
3. Разработать рекомендации по расчету инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий.
4. Выполнить опытно-промышленную апробацию результатов исследований при усилении фундаментов реконструируемого здания.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлен характер распространения бетонной смеси в околосвайном пространстве и определены условия для повышения несущей способности инъекционных свай в слабых глинистых грунтах.
2. Установлено, что использование уширений в виде дисков на нижнем конце инъекторов при устройстве инъекционных свай обеспечивает формирование сплошного сечения их ствола. При этом удельная несущая способность инъекционных свай в слабых глинистых грунтах увеличивается до 15 – 25 % по сравнению с несущей способностью свай, устраиваемых без уширений инъекторов.
3. Установлено, что при устройстве инъекционных свай со ступенчатой опрессовкой давлением обеспечивается уплотнение слабых глинистых грунтов в радиусе до 2 – 2,5 диаметров сваи. При этом диапазон давления нагнетания бетонной смеси и опрессовки в слабых глинистых грунтах зависит от их состояния и при показателе текучести JL = 0,7 – 1,5 составляет 0,35 –
   1,0 МПа.

Достоверность сформулированных в работе научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректным использованием теоретических положений в области фундаментостроения, применением современного оборудования, достаточным объемом исследований. Необходимая для практического использования точность усовершенствованного метода расчета подтверждена согласованностью теоретических и экспериментальных данных.

Практическая значимость и реализация работы:

1. Практическая значимость состоит:

• в установлении влияния конструктивного решения инъекторов на формирование ствола и несущую способность инъекционных свай в слабых глинистых грунтах;
• в разработке двух новых, защищенных патентами РФ на изобретения способов устройства инъекционных свай и двух конструктивных решений напорнонабивных (инъекционных) свай, защищенных патентами РФ на полезные модели;
• в усовершенствовании метода расчета геометрических размеров поперечного сечения инъекционных свай и их несущей способности в слабых глинистых грунтах.

2. Результаты исследований внедрены:

• при производстве работ по усилению фундаментов реконструируемого административного здания в г. Томске (проектная организация – ФГНУ НИИ строительных материалов, подрядная организация – ООО «ГеоТом», г. Томск) в 2004 – 2005 г.г.;
• в Томском государственном архитектурно-строительном университете при чтении лекций для студентов, магистров, аспирантов строительного факультета и слушателей института повышения квалификации ТГАСУ в 2004 – 2005 г.г. по дисциплинам: «Спецкурс по геотехническому строительству»; «Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды» (Россия, г. Пермь, 2004), на 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов СПбГАСУ «Теоретические и практические проблемы геотехники» (Россия, г. Санкт-Петербург, 2005), на 62-й и 63-й научно-технических конференциях НГАСУ (Россия, г. Новосибирск, 2005 – 2006), на III Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (Россия, г. Братск, 2005), на международном научно практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Россия, г. Пермь, 2005), на III-м Центрально-Азиатском геотехническом симпозиуме «Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах» (Таджикистан, г. Душанбе, 2005), на научных межкафедральных семинарах Томского государственного архитектурно-строительного университета (Россия, г. Томск, 2002-2005).

Личный вклад автора состоит:

• в получении результатов натурных экспериментальных исследований взаимодействия инъекционных свай с грунтовым основанием, их анализе и обобщении;
• в установлении влияния конструктивного решения инъекторов на формирование ствола инъекционных свай и их несущую способность в слабых глинистых грунтах;
• в установлении зависимостей изменения физико-механических характеристик грунтов околосвайного пространства после устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах;
• в разработке рекомендаций по расчету инъекционных свай, позволяющих определять геометрию ствола свай и их несущую способность в слабых глинистых грунтах;
• в разработке способов устройства инъекционных свай, защищенных четырьмя патентами РФ на изобретения и полезные модели в соавторстве с научным руководителем д.т.н., профессором Полищуком А.И. и соавторами, внесшими свой вклад в инженерную часть этих разработок (Герасимов О.В., Андриенко Ю.Б., Нуйкин С.С., Шалгинов Р.В.).

На защиту выносятся:

1. Способ устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий.
2. Методика и результаты экспериментальных исследований взаимодействия инъекционных свай с грунтом основания.
3. Рекомендации по расчету инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати печатных работах, включая два патента РФ на изобретения и два патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Общий объем работы составляет 192 страницы, включая 127 страниц текста, 53 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 164 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика работы.

В первой главе дано обобщение причин, вызывающих необходимость упрочнения грунтов оснований и усиления фундаментов зданий.

Вопросам усиления фундаментов зданий и упрочнения грунтов оснований посвящены работы Аббасова П.А., Абелева М.Ю., Ахмедова Д.Д., Баранова Н.Н., Бартоломея А.А., Бартоломея Л.А., Бахолдина Б.В., Бройда И.И., Бронина В.Н., Бугрова А.К., Винникова Ю.Л., Волкова Ф.Е., Готмана А.Л., Готман Н.З, Далматова Б.И., Джантимирова Х.А., Дзагова А.М., Дубины М.М., Егорова А.И., Зехниева Ф.Ф., Зурнаджи В.А., Иконина С.В., Коновалова П.А., Кушнира С.Я., Литвинова П.М., Лушникова В.В., Мангушева Р.А., Мулюкова Э.И., Мурзенко Ю.Н., Никифоровой Н.С., Нуждина Л.В., Перлея Е.М., Полищука А.И., Пономарева А.Б., Ржаницина Б.А., Савинова А.В., Соколовича В.Е., Сорочана Е.А., Сотникова С.Н., Улицкого В.М., Ухова С.Б., Швеца В.Б., Швецова Г.И., Юшкова Б.С., Ющубе С.В., Cambefort H., Jhde H., Marinos P., Wittke W. и многих других специалистов.

В главе дан краткий анализ наиболее распространенных способов упрочнения грунтов оснований и усиления фундаментов зданий. Из научно-технической литературы установлено, что под упрочнением грунтов оснований понимаются способы «технической мелиорации» (химическое закрепление, уплотнение, обжиг и др.), направленные на преобразование их свойств. Основное внимание в обзоре уделено применению инъекционных технологий для упрочнения грунтов и устройства свай в условиях реконструкции, восстановления зданий.

В последние 10 – 15 лет получило широкое развитие инъекционное упрочнение глинистых грунтов в режиме гидроразрыва. Это направление в научных работах называют высоконапорной инъекцией. Отличительной особенностью направления является создание условий нагнетания растворов, при которых возникает гидроразрыв в массиве глинистого грунта. Эффект упрочнения глинистых грунтов заключается в их армировании жесткими элементами из затвердевшего раствора и уплотнении основания. Направлению исследований по высоконапорной инъекции посвящены работы Аббуда М., Богова С.Г., Богомолова В.А., Герасимова О.В., Ермолаева В.А., Крицкого М.Я., Ланиса А.Л., Лубягина А.В., Лушникова В.В., Мацегоры А.Г., Нуждина Л.В., Нуждина М.Л., Осипова С.Д., Писаненко В.П., Сахарова И.И., Шадунца К.Ш., Cambefort H. и других специалистов.

В институте «УралНИИАС» (В.В. Лушников, В.А. Богомолов,
г. Екатеринбург) разработан ряд технологических приемов, позволяющих производить инъекцию цементных растворов в глинистых грунтах под давлением до 1 – 2 МПа без образования трещин гидроразрывов. Нагнетаемые растворы при этом не растекаются в образуемые трещины гидроразрывов, а локализуются в области инъекции. Если инъекцию растворов осуществлять через предварительно устроенные скважины (например, образованные вдавливанием инъекторов с уширением), то после их нагнетания образуются инъекционные сваи. В настоящее время практически отсутствуют достоверные методы расчета инъекционных свай, а также надежные способы их устройства в условиях реконструкции и восстановления зданий на слабых глинистых грунтах.

На основании проведенного литературного обзора были сформулированы цель и задачи исследований

Во второй главе излагается методика проведения экспериментальных исследований по устройству инъекционных свай. Для проведения экспериментов были выбраны опытные площадки в городах Кемерово и Томске, сложенные слабыми глинистыми грунтами. Экспериментальные исследования на опытной площадке в г. Кемерово проводились с использованием инъекционных свай длиной 5,0 м (серия 1) и 3,5 м (серия 2). В г. Томске – с использованием инъекционных свай длиной 1,5 м (серия 3).

Опытная площадка в г. Кемерово находилась на территории Кемеровского сельскохозяйственного института (Лениниский р-н). До глубины 5,5 – 6,0 м площадка сложена лессовидными, мягкопластичными – текучими (JL = 0,7 – 1,1) суглинками, далее до разведанной глубины (12,0 м) – полутвердыми суглинками (JL = 0,2). Уровень подземных вод на период проведения экспериментальных исследований (март – октябрь 2003 г.) находился на глубине 2,7 – 3,6 м. Основные физико-механические характеристики грунтов естественного сложения в зоне устройства инъекционных свай (0,0 – 5,0 м) составляли: грунт – суглинок мягкопластичный–текучий (JL = 0,7 – 1,1); плотность грунта = 1,7 – 1,75 г/см3; плотность сухого грунта = 1,25 – 1,3 г/см3; коэффициент пористости e = 0,9 – 1,15; естественная влажность W = 0,3 – 0,35 д.ед.; удельное сцепление С = 11,7 – 15,0 кПа; угол внутреннего трения = 13 – 15 град.; модуль общей деформации E = 1,1 – 2,9 МПа.

Опытная площадка в г. Томске находилась в центральной части города (Кировский р-н). До глубины 1,7 – 1,9 м площадка сложена насыпными грунтами, далее до глубины 3,2 – 3,4 м – супесью пластичной (JL = 0,4 – 0,75), и до разведанной глубины (12,0 м) – супесью текучей (JL = 1,0 – 2,0). Уровень подземных вод на период проведения экспериментальных исследований (апрель – май 2005 г.) зафиксирован на глубине 3,2 – 3,4 м. Опытная площадка находилась в подвальном помещении здания на глубине 2,7 – 2,9 м от поверхности. Основные физико-механические характеристики грунтов естественного сложения в зоне устройства инъекционных свай (0,0 – 1,5 м) составляли: грунт – супесь текучая (JL = 1,0 – 2,0); плотность грунта = 2,0 г/см3; плотность сухого грунта = 1,65 г/см3; коэффициент пористости e = 0,62; естественная влажность W = 0,23 д.ед.; удельное сцепление С = 6,0 кПа; угол внутреннего трения = 22 град.; модуль общей деформации E = 4,5 МПа.

Для устройства инъекционных свай применялись инъектора (рис. 1, а) из металлических прокатных труб диаметром 108 мм (серия 1, 3) и 57 мм (серия 2). В инъекторах предусматривались перфорационные отверстия диаметром 20 мм в шахматном порядке с шагом 100 мм (серия 1, 2) и 50 мм (серия 3). В исследованиях использовались инъектора без уширений (рис. 1, б; серия 1, 2) и с уширением в их нижней части (а также на границе зоны перфорации). Уширения инъекторов изготавливались в виде дисков большего диаметра, с выступом за основание инъекторной трубы С = 0,18 D (рис. 1, в; серия 1, 2) и С = 0,37 D (рис. 1, г; серия 1 – 3).

В качестве инъекционного раствора использовалась мелкозернистая бетонная смесь с модулем крупности заполнителя Mk = 2,0 – 3,0, водо-цементным отношением В/Ц = 0,5 – 0,6, осадкой конуса 10 – 12 см. Для придания требуемой подвижности использовались пластифицирующие добавки (разжижитель С-3). Нагнетание бетонной смеси осуществлялось насосами СО – 49 и СО – 180 с постоянным расходом 40 л/мин. Объем бетонной смеси для устройства инъекционных свай принимался в зависимости от конструктивного решения инъекторов и составлял: 0,5 – 0,7 м3 для свай серии 1; 0,2 – 0,3 м3 для свай серии 2 и 0,04 – 0,07 м3 для свай серии 3. Все опыты проводились с двух-трех кратной повторностью.

Рис. 1. Конструктивное решение инъекторов, используемых в исследованиях: а – инъектор; б – острие инъектора без уширения; в, г – острие инъектора с уширением в виде диска с выступом за основание инъекторной трубы С = 0,18 D и С = 0,37 D; D – диаметр инъектора; Dу – диаметр уширительного диска; в числителе указаны значения размеров для инъекторов серий 1 и 3, в знаменателе – серии 2

Устройство инъекционных свай включало: погружение теряемых инъекторов вдавливанием (с контролем усилия вдавливания); тампонирование затрубного пространства инъекторов в верхней части (0,5 – 1,5 м); ступенчатое по 0,1 м3 нагнетание бетонной смеси в инъектора с перерывами на 5 – 10 мин для опрессовки^[3] околосвайного грунта рабочим давлением. После нагнетания бетонной смеси в оголовок инъектора устанавливалась специальная заслонка и производилась опрессовка грунта рабочим давлением вплоть до твердения бетонной смеси. Для контроля давления в системе «инъекционная свая - грунт» в процессе нагнетания бетонной смеси и его падении при опрессовке в оголовке инъектора устанавливался датчик давления.

Испытания инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой производились установкой с системой балок и анкерных
свай. Методика испытаний инъекционных свай осуществлялась в соответствии с ГОСТ 5686-94. Для инъекционных свай серии 3 испытания статической вдавливающей нагрузкой проводились с промежуточной разгрузкой, повторным нагружением до «срыва» и последующим повторным испытанием.

Исследование изменений свойств грунтов осуществлялось в полевых и лабораторных условиях. Вокруг ствола инъекционных свай (серия 1 – 2, г. Кемерово) проводилось статическое зондирование до и после их устройства, а также отбирались пробы и монолиты грунта. Отбор монолитов грунта производился непосредственно из околосвайного пространства каждой сваи до глубины 3,7 м в радиусе до 0,5 м по разбивочной сетке.

Для оценки качества и геометрии устроенных инъекционных свай после каждого опыта производилась их откопка и обследование сплошности бетонного сечения свай.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Дается оценка влияния конструктивного решения инъекторов на усилие вдавливания и несущую способность инъекционных свай. Приводятся результаты оценки влияния давления нагнетания бетонной смеси и конструктивного решения инъекторов на формирование ствола инъекционных свай, изменения физико-механических характеристик грунтов в околосвайном пространстве.

При вдавливании инъекторов с уширениями на нижнем конце между стенкой скважины и инъекторной трубой образуется зазор, снижающий усилие вдавливания за счет снятия трения на боковой поверхности инъекторной трубы с грунтом. Результаты оценки усилий вдавливания инъекторов и динамики оплывания стенок скважин позволили установить, что наиболее существенное (до 2 – 4 раз) снижение усилия вдавливания достигается в случае, когда не происходит мгновенного оплывания стенок скважины. В слабых глинистых грунтах это условие обеспечивается при консистенции JL = 0,75 – 1,0.

Выявлено, что при устройстве инъекционных свай с поэтапным нагнетанием бетонной смеси и ступенчатой опрессовкой диапазон давлений зависит от свойств грунтов. В слабых глинистых грунтах с показателем текучести JL = 0,7 – 1,5 диапазон давлений составляет 0,35 – 1,0 МПа (рис. 2).

Рис. 2. Графики изменения давления нагнетания бетонной смеси для свай: а – длиной 1,5 м (серия 3, г. Томск); б – длиной 3,5 м (серия 2, г. Кемерово); в – длиной 5,0 м (серия 1, г. Кемерово)

Установлено, что при длительной опрессовке грунта (сохранении давления) рабочее давление, используемое при нагнетании в течение первых 5 – 10 мин, резко падает до 1,5 – 2 раз. Дальнейшее падение давления носит менее интенсивный характер и в течение 1 – 2 часов устанавливается и сохраняется вплоть до твердения бетона. Величина давления, установившегося в системе «инъекционная свая – грунт», при длительной опрессовке грунта составляет 25 – 30 % от первоначального (рабочего).

Установлено, что использование инъекторов с уширением в их нижней части при устройстве инъекционных свай в слабых глинистых грунтах обеспечивает формирование сплошного сечения их ствола (рис. 3). Выявлено, что в однородных грунтах происходит формирование относительно равномерного по всей высоте ствола сваи (рис. 3,а, диаметр сваи 0,25 – 0,28 м).

В случае неоднородных слабых глинистых грунтов в основании инъекционной сваи формируется уширение ствола в зоне с наименьшими физико-механическими характеристиками грунта. На опытной площадке в г. Кемерово уровень подземных вод на период устройства инъекционных свай (апрель 2003 г.) был зафиксирован на глубине 2,7 м. Выше грунт находился в мягкопластичном состоянии (JL = 0,7), а ниже уровня подземных вод – в текучем и текучепластичном состоянии (JL = 0,9 – 1,1). Принятая технология устройства инъекционных свай позволила сформировать сплошное сечение их ствола с его уширением в зоне с наименьшими характеристиками грунтов (рис.3, б,в). Диаметр ствола инъекционных свай на опытной площадке в г. Кемерово на глубине (L) составил: 130 – 215 мм (L = 1,5 – 2,7 м, серия 1); 485 – 585 мм (L = 2,7 – 3,7 м, серия 1); 110 – 180 мм (L = 1,5 – 2,7 м, серия 2); 510 – 620 мм (L = 2,7 – 3,5 м, серия 2).

Выявлено, что при устройстве инъекционных свай без уширений в нижней части инъекторов формирование сплошного сечения ствола сваи не обеспечивается. Участки инъекторных труб у свай, устроенных без уширений инъекторов на опытной площадке в г. Кемерово, были оголены и соприкасались с грунтом.

По результатам испытаний инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой их несущая способность по грунту (Fd) составила 100 – 280 кН (рис. 4). При этом установлено, что использование инъекторов с уширением на нижнем конце при устройстве инъекционных свай позволяет повысить их удельную несущую способность относительно свай, устраиваемых без уширений инъекторов. Существенное до 15 – 25 % увеличение удельной несущей способности инъекционных свай достигается при применении уширения с диаметром, в 1,75 раза (С = 0,37 D, рис.1) превышающим диаметр инъектора. Несущая способность инъекционных свай серии 3 (Fd) на опытной площадке в г. Томске составила 90 кН. Результаты повторных испытаний инъекционных свай серии 3 показали, что значение их несущей способности после «срыва» не уменьшается.

Рис. 4. Результаты испытаний инъекционных свай: 1 – сваи длиной 3,5 м, серия 2; 2 – сваи длиной 5,0 м, серия 1; а – без уширений острия инъектора; б, в – с уширением острия инъектора в виде диска с выступом С = 0,18 и 0,37 D; D – диаметр инъектора

По результатам статического зондирования грунтов в околосвайном пространстве (рис. 5) до и после устройства свай выявлено, что значения сопротивлений грунта внедрению зонда увеличиваются до 1,5 – 2 раз. Экспериментально установлено, что в уплотненной зоне вокруг ствола инъекционных свай происходит улучшение свойств грунтов относительно природных (естественного сложения). При этом плотность грунта () увеличивается на 13,7 – 15,8 %, влажность грунта (W) уменьшается на 14,7 – 22,5 %, плотность сухого грунта () увеличивается на 18,6 – 22,3 %, удельное сцепление грунта (С) увеличивается на 21,3 – 38,3 %, угол внутреннего трения () увеличивается на 2 – 3 град.

Рис. 5. Результаты статического зондирования грунтов околосвайного пространства до и после устройства инъекционных свай: а – удельное сопротивление грунта под наконечником зонда (qc); б – удельное сопротивление грунта на боковой поверхности зонда (fs)

Принятая в исследованиях сетка отбора монолитов грунта в околосвайном пространстве не позволила определить зону уплотнения грунта на глубине 3,1 – 3,5 м. Значения физико-механических характеристик грунта на расстоянии 0,5 м от ствола сваи не достигли их естественных значений. Для определения зоны уплотнения в околосвайном пространстве вне сетки (более 0,5 м) определения характеристик грунтов наиболее приемлемым оказалось использование эмпирической зависимости (3.1).

(3.1)

где – плотность сухого грунта на расстоянии (), г/см3; – природная плотность сухого грунта, г/см3; – максимальное значение плотности сухого грунта () у ствола инъекционной сваи, г/см3; – расстояние до рассматриваемой точки, см; – радиус ствола сваи, см; – коэффициент аппроксимации.

Значение максимальной плотности сухого грунта () для слабых глинистых грунтов может быть принято равным 1,55 – 1,6 г/см3. Значение параметра = 1,275 для слабых глинистых грунтов определилось из условия минимума среднеквадратического отклонения экспериментальных и расчетных значений. Точность эмпирической формулы (3.1) в сравнении с экспериментальными данными составила
± 4 % (рис. 6, а). Зона уплотнения грунта на глубине 3,1 – 3,5 м составила 1,2 – 1,4 м (рис. 6, б).

Рис. 6. Изменение плотности сухого грунта в околосвайном пространстве инъекционных свай: а – на глубине 2,3 – 3,1 м; б – на глубине 3,1 – 3,5 м

Выполненные экспериментальные исследования изменения физико-механических характеристик грунтов позволили установить, что при устройстве инъекционных свай в слабых глинистых грунтах происходит уплотнение окружающего грунта в радиусе до 2 – 2,5 диаметров ствола сваи. Уплотнение слабых глинистых грунтов обеспечивается поэтапным нагнетанием бетонной смеси со ступенчатой опрессовкой грунта давлением.

Четвертая глава посвящена совершенствованию метода расчета геометрических размеров ствола инъекционных свай и их несущей способности в слабых глинистых грунтах.

Для расчета диаметра ствола инъекционных свай применено решение задачи о расширении цилиндрической полости в грунте с использованием модели упрочняющейся разномодульной грунтовой среды (В.В. Лушников, г. Екатеринбург) в упруго-пластической постановке. Для корректного использования теоретических решений в приложении к работе приводится вывод основных формул решаемой задачи в сравнении с доступными литературными источниками. Разработан алгоритм расчета диаметра ствола инъекционных свай в зависимости от заданного объема бетона и разнородности грунтового основания по глубине.

Алгоритм расчета диаметра ствола инъекционных свай включает:

– ввод исходных данных (диаметр и длина скважины, характеристик грунтов по глубине, давление нагнетания);

– послойный расчет перемещений стенки цилиндрической полости по глубине устраиваемой сваи;

– вычисление общего объема грунта, вытесненного при заданном давлении и относительной его доли (ki) в пределах каждого слоя грунта по глубине;

– задание исходного объема бетона, используемого для устройства инъекционной сваи;

– расчет объема бетона и осредненного диаметра ствола инъекционной сваи в каждом слое грунта относительно ki.

Данный алгоритм расчета был реализован в программе для ЭВМ. Сравнение экспериментальных и теоретических данных показало, что точность расчетов диаметра ствола инъекционных свай длиной 3,5 – 5,0 м (серия 1, 2) составляет 5 – 15 %.

Существующая методика расчета несущей способности свай по СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» с опиранием нижнего конца на слабые глинистые грунты с показателем текучести JL > 0,6 не предусматривает определение их несущей способности по табличным значениям. Для предварительного определения несущей способности инъекционных свай в слабых глинистых грунтах в диссертации рекомендуется: принимать значения сопротивлений грунта R и fi из работы: «Рекомендации по расчету свайных фундаментов в слабых грунтах» (Стройиздат, 1975); расчет вести по формуле СНиП 2.02.03-85 для забивных свай с использованием эмпирических коэффициентов условий работы грунта (cR = 1,0; cf = 1,2). Коэффициент условий работы грунта под острием сваи cR для инъекционных свай, устраиваемых без извлечения грунта, принимается равным 1,0. Коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи cf = 1,2 был установлен эмпирически из условия минимума отклонения расчетных и экспериментальных значений несущей способности инъекционных свай. Бльшее значение коэффициента cf обусловлено значительным уплотнением слабых глинистых грунтов вокруг ствола инъекционных свай в сравнении с забивными сваями, где уплотнение слабых глинистых грунтов практически не наблюдается. Сравнение результатов экспериментальных данных несущей способности инъекционных свай и расчетных по предложенному методу показало, что его точность составляет ± 20 %.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов исследований. Приводятся результаты опытно-промышленной апробации результатов исследований при усилении фундаментов реконструируемого здания в г. Томске. Изложены пути дальнейшего совершенствования способов устройства инъекционных свай как для условий реконструкции зданий, так и для нового строительства.

Выполненные экспериментальные исследования позволили разработать способ устройства инъекционных свай. Этот способ защищен патентом РФ на изобретение (№ 2238366). По этому способу создается свая в слабых глинистых грунтах, используемая при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции зданий. К основным преимуществам способа относятся: уменьшение технологических операций по устройству скважин и армированию ствола свай; снижение усилия вдавливания инъекторов; значительная удельная несущая способность свай за счет уплотнения слабых глинистых грунтов в околосвайном пространстве. Технологическая последовательность устройства сваи заключается: в погружении инъекторов с уширением в виде диска на его нижнем конце и по стволу инъектора; тампонирование затрубного пространства инъектора; поэтапное нагнетание бетонной смеси со ступенчатой опрессовкой в течение 5 – 10 мин и последующей длительной опрессовкой грунта вплоть до твердения бетона. При производстве работ в стесненных условиях инъекторная труба при вдавливании может наращиваться через патрубок на сварке. Инъекционные сваи рекомендуется применять длиной до 5 – 7 м с передачей небольшой до 30 тн нагрузки на основание.

Результаты исследований внедрены в г. Томске при усилении фундаментов реконструируемого здания. При реконструкции рассматривался вопрос надстройки двух дополнительных этажей и понижение отметки пола подвала. Усиление фундаментов здания осуществлялось с использованием инъекционных свай. При разработке рабочего проекта и производстве работ по усилению фундаментов здания за основу были приняты результаты проведенных экспериментальных исследований. Всего было изготовлено более 30 инъекционных свай длиной 5,0 м в слое супеси текучей консистенции. Более 20 % (7 шт.) от общего числа свай были подвергнуты производственным испытаниям статической вдавливающей нагрузкой. По результатам испытаний инъекционных свай частные значения их предельного сопротивления составили Fu, n = 170 – 200 кН, что обеспечило реализацию проектного решения по реконструкции здания.

Для дальнейшего развития разработан и защищен патентом РФ на изобретение способ возведения инъекционных свай. Данный способ предусматривает устройство сваи под защитой обсадных труб и может быть использован для условий нового строительства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан способ устройства инъекционных свай в слабых глинистых грунтах для условий реконструкции зданий. Выполненные исследования позволили установить ряд его преимуществ, к которым относятся: уменьшение технологических операций при устройстве скважин и армировании ствола свай; снижение усилия вдавливания инъекторов; повышение несущей способности свай за счет уплотнения слабых глинистых грунтов в околосвайном пространстве.
2. Экспериментально установлено, что при вдавливании инъекторов с уширением в виде диска на нижнем конце между стенкой скважины и инъекторной трубой формируется зазор, который создает условия для снижения усилия вдавливания. В слабых глинистых грунтах существенное снижение до 2 – 4 раз усилия вдавливания инъекторов достигается при показателе текучести JL = 0,75 – 1,0, когда не происходит мгновенного оплывания стенок скважин.
3. Выявлено, что использование инъекторов с уширением на нижнем конце обеспечивает формирование сплошного сечения ствола инъекционных свай в слабых глинистых грунтах. При уширении нижнего конца инъектора в 1,35 – 1,75 раза (относительно диаметра инъектора) удельная несущая способность инъекционных свай увеличивается до 15 – 25 % по сравнению со сваями, устраиваемыми без уширения инъекторов.
4. Установлено, что при устройстве инъекционных свай в слабых глинистых грунтах происходит уплотнение окружающего грунта в радиусе до 2 – 2,5 диаметров ствола сваи. Уплотнение глинистых грунтов обеспечивается поэтапным нагнетанием бетонной смеси со ступенчатой опрессовкой грунта давлением. Диапазон давления нагнетания бетонной смеси и опрессовки в слабых глинистых грунтах с показателем текучести JL = 0,7 – 1,5 составляет 0,35 – 1,0 МПа.
5. Экспериментально установлено, что в уплотненной зоне вокруг ствола инъекционных свай происходит улучшение свойств грунтов относительно природных (естественного сложения). При этом плотность грунта () увеличивается на 13,7 – 15,8 %, влажность грунта (W) уменьшается на 14,7 – 22,5 %, плотность сухого грунта () увеличивается на 18,6 – 22,3 %, удельное сцепление грунта (С) увеличивается на 21,3 – 38,3 %, угол внутреннего трения возрастает на 2 – 3 град.
6. Разработаны рекомендации по определению геометрических размеров ствола инъекционных свай и их несущей способности. Для расчета диаметра ствола сваи применяется решение задачи о расширении цилиндрической полости в грунте с использованием модели упрочняющейся разномодульной грунтовой среды (В.В. Лушников, г. Екатеринбург). Разработан алгоритм расчета диаметра ствола инъекционных свай в зависимости от заданного объема бетона и разнородности грунтового основания по глубине, который реализован в программе для ЭВМ. Предложенный метод расчета позволяет прогнозировать диаметр ствола инъекционных свай с точностью 5 – 15 %. Для определения несущей способности инъекционных свай в слабых глинистых грунтах усовершенствован расчетно-аналитический метод (по СНиП 2.02.03-85). Результаты сравнения расчетных, по усовершенствованному методу, и экспериментальных данных несущей способности инъекционных свай показали, что его точность составляет ± 20 %.
7. Разработанный способ устройства инъекционных свай внедрен при усилении фундаментов реконструируемого здания в г. Томске. Использование инъекционных свай позволило решить вопрос надстройки дополнительных этажей с минимальными затратами на усиление фундаментов здания.
8. Для дальнейшего развития способов устройства инъекционных свай предложены пути их совершенствования для условий реконструкции и нового строительства. Эти разработки защищены патентами РФ на изобретение и полезные модели.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Пат. 2238366. Российская Федерация, МПК7 E 02 D 5/34. Способ устройства инъекционной сваи / Полищук А.И., Герасимов О.В., Петухов А.А., Андриенко Ю.Б., Нуйкин С.С.; опубл. 20.10.04, Бюл. № 29.
2. Полищук, А.И. Экспериментальные исследования работы инъекционных свай в глинистых грунтах, устроенных методом высоконапорной инъекции / А.И. Полищук, А.А. Петухов,
   О.В. Герасимов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды: материалы Российской науч.-техн. конф. / Пермский гос. техн.
   ун-т. – Пермь, 2004. – С. 43-47.
3. Петухов, А.А. Экспериментальные исследования работы напорнонабивных свай в глинистых грунтах / А.А. Петухов // Теоретические и практические проблемы геотехники: межвуз. тем. сб. тр. / Санкт-Петербургский гос. арх.-стр-й ун-т. – СПб, 2005. – С. 56-62.
4. Полищук, А.И. Результаты исследования взаимодействия напорнонабивных свай с грунтом / А.И. Полищук, А.А. Петухов // Тез. докл. 62-й науч.-техн. конф., посвященной 75-летию НГАСУ (СИБСТРИН) / Новосибирский гос. арх.-стр-й ун-т (СИБСТРИН). – Новосибирск, 2005. – С. 102.
5. Петухов, А.А. Результаты экспериментальных исследований применения метода высоконапорной инъекции при устройстве свай в глинистых грунтах / А.А. Петухов // Стр-во: «материалы, конструкции, технологии»: материалы III Межрегион. науч.-техн. конф. / Братский гос. ун-т. – Братск, 2005. – С. 44-49.
6. Пат. 2263745 Российская Федерация, МПК7 E 02 D 5/34. Способ возведения инъекционной сваи (варианты) / Полищук А.И., Петухов А.А., Нуйкин С.С.; опубл. 10.11.05, Бюл. № 31.
7. Опыт усиления фундаментов здания с использованием напорнонабивных свай / А.И. Полищук, С.В. Ющубе, А.А. Петухов, С.С. Нуйкин // Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки: тр. междунар. науч.-практ. семинара в 2 т. / Пермский гос. техн. ун-т. – Пермь, 2005. – т. 1. – С. 149-155.
8. Полищук, А.И. Усиление фундаментов зданий в г. Томске с использованием свай / А.И. Полищук, А.А. Петухов // Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах: тр. III-го Центрально-Азиатского междунар. геотехнического симпозиума в 2 т. / Научн.-иссл. и проект.- изыск. инст. «САНИИОСП» гос. комитета стр-ва и арх. респ. Таджикистан. – Душанбе, 2005. – т. 1. – С. 198-201.
9. Пат. 49029. Российская Федерация, МПК7 E 02 D 5/34. Напорнонабивная свая / Полищук А.И., Петухов А.А., Нуйкин С.С.; опубл. 10.11.05, Бюл. № 31.
10. Пат. 48547. Российская Федерация, МПК7 E 02 D 5/34. Напорнонабивная свая для слабых грунтов / Полищук А.И., Петухов А.А., Нуйкин С.С., Шалгинов Р.В.; опубл. 27.10.05, Бюл. № 30.
11. Петухов, А.А. Исследование работы инъекционных свай в слабых глинистых грунтах / А.А. Петухов // Тез. докл. 62-й науч.-техн. конф. / Новосибирский гос. арх.-стр-й ун-т (СИБСТРИН). – Новосибирск, 2005. – С. 113.
12. Решение задачи о расширении полости в грунте для расчета инъекционной сваи / А.И. Полищук, А.А. Петухов, С.П. Осипов, Р.В. Шалгинов // Тез. докл. 62-й науч.-техн. конф. / Новосибирский гос. арх.-стр-й ун-т (СИБСТРИН). – Новосибирск, 2005. – С. 114.

---

^[1] Под слабыми глинистыми грунтами понимаются водонасыщенные супеси, суглинки и глины текучепластичной, текучей консистенции с коэффициентом водонасыщения ( Sr ) более 0,8 и модулем общей деформации ( E0 ) менее 5,0 МПа.

Под инъекционными понимаются сваи, устраиваемые нагнетанием бетонной смеси под давлением в предварительно подготовленные скважины с опрессовкой околосвайного грунта.

^[3] В работе под опрессовкой околосвайного грунта основания понимается выдерживание (сохранение) рабочего давления без нагнетания бетонной смеси. Технологическая операция нагнетания твердеющей смеси с кратковременными перерывами на 2 – 10 мин была предложена В.В. Лушниковым, В.А. Богомоловым (Институт «УралНИИАС», г. Екатеринбург). Технология устройства буроинъекционных свай со ступенчатым повышением давления опрессовки была предложена Н.Н. Барановым, И.М. Клейнером и др. (1991 г.)