Проектирование и устройство оснований, армированных структурными элементами из цементогрунта через направленные гидроразрывы

На правах рукописи

Кузнецов Максим Викторович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО ОСНОВАНИЙ,

АРМИРОВАННЫХ СТРУКТУРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

ИЗ ЦЕМЕНТОГРУНТА ЧЕРЕЗ НАПРАВЛЕННЫЕ ГИДРОРАЗРЫВЫ

Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные

сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ростовском государственном строительном университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Логутин Валерий Васильевич

Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Скибин Геннадий Михайлович ГОУ ВПО Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск
	кандидат технических наук, доцент Торшин Дмитрий Петрович, ГОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, г. Волгоград

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО Новочеркасская государственная мелиоративная академия (НГМА)

Защита состоится 16 июня 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:

400074, г. Волгоград, ул.  Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 13 мая 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Т.К.

Актуальность работы. При строительстве зданий и сооружений повышенной этажности, возводимых на структурно-неустойчивых и слабых водонасыщенных грунтах, в последнее время применяются плитные фундаменты, основания которых закрепляются различными методами. Одним из распространенных является способ армирования основания элементами из цементогрунта через направленные гидроразрывы. Согласно ТСН 50-306-2005 Ростовской области «Основания и фундаменты повышенной несущей способности», при укреплении грунта таким способом в основании плитных фундаментов нагнетание растворов рекомендуется вести через трубки, устанавливаемые в теле фундамента.

Однако данный способ обладает рядом технологических затруднений, связанных с погружением инъектора и нагнетанием раствора, контролем качества закрепленного массива под плитными фундаментами. Метод проектирования армированного основания недостаточно теоретически обоснован и экспериментально подтвержден.

Цель диссертационной работы – разработка эффективных способов усиления основания плитных фундаментов структурными элементами из цементогрунтового камня через направленные гидроразрывы, контроля качества закрепленного массива и методов проектирования оснований, армированных регулируемыми пространственными структурами.

Задачи исследования

1. Разработка новых способов закрепления оснований элементами из цементогрунта.
2. Разработка способа образования замкнутых, жестких и надежных пространственных структур из цементогрунта.
3. Разработка способа контроля качества цементогрунта под плитными фундаментами.
4. Отработка технологии нагнетания крепящих растворов через направленные разрывы с использованием разработанных способов в полевых условиях.
5. Исследование влияния параметров закрепления на напряженно-деформированное состояние армированного основания.
6. Установление аналитической зависимости между деформацией основания, усиленного структурными цементогрунтовыми элементами, и параметрами закрепления.
7. Апробация разработанных способов и методики проектирования в практике закрепления грунтов реальных объектов.

Достоверность исследования подтверждается результатами численных и полевых исследований оснований, армированных элементами из цементо-грунта, а также сопоставлением их с теоретическими данными и натурными наблюдениями.

Научная новизна работы

- разработан на уровне изобретения способ создания гидроразрывов и устройство для его осуществления;

- разработан на уровне изобретения способ усиления водонасыщенных грунтов и устройство для его осуществления;

- предложен на уровне изобретения способ создания в грунтовом массиве регулируемых пространственных структур из твердеющего материала;

- разработан на уровне изобретения способ контроля качества цементогрунта по пробам нарушенной структуры;

- в численных экспериментах с использованием ПК «ANSYS» изучено НДС армированного основания под плитными фундаментами;

- на основе экспериментальных и теоретических исследований даны предложения по проектированию и устройству оснований, армированных структурными элементами.

Практическое значение и внедрение результатов. Разработанные способы подготовки основания армоэлементами из цементогрунта внедрены при укреплении оснований зданий и сооружений в Южном федеральном округе и позволили существенно сократить сроки строительства и получить значительный экономический эффект. Способ контроля качества цементогрунта по пробам нарушенной структуры позволил снизить стоимость работ, сократить сроки их выполнения, расширить диапазон определяемых характеристик. Наблюдения за построенными зданиями показали, что их осадки значительно меньше допустимых и обеспечена эксплуатационная надежность.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на Международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2004-2011);

- на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию БашНИИстроя (Уфа, 2006);

- на Юбилейной конференции, посвященной 50-летию РОМГГиФ (Москва, 2007);

- на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (Москва, 2010);

- на Российской научно-технической конференции, посвященной памяти профессоров Ю.Н. Мурзенко и А.П. Пшеничкина «Актуальные проблемы фундаментостроения на юге России» (Новочеркасск, 2010).

Разработанные способ подготовки основания и устройство для его осуществления удостоены бронзовой медали на «VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций».

На защиту выносятся

1. Способы усиления основания элементами из цементогрунтового камня через направленные гидроразрывы.
2. Способ контроля качества закрепленного массива.
3. Способ создания в грунтовом массиве регулируемых пространственных структур из твердеющего материала.
4. Результаты полевых экспериментов.
5. Результаты численных исследований оснований, усиленных регулируемыми пространственными структурами, с использованием программного комплекса “ANSYS”.
6. Методика определения оптимальных параметров регулируемых пространственных структур из цементогрунта.

Публикации. Материалы исследований опубликованы в восемнадцати печатных работах, две из которых – в изданиях, определенных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (общих выводов), списка использованных источников, включающего 126 наименований. Полный объем диссертации - 189 страниц, включая 77 рисунков, 23 таблицы.

Содержание работы

В первой главе рассматриваются различные способы преобразования строительных свойств структурно-неустойчивых грунтов, а также методы контроля качества закрепленных массивов, подчеркиваются их преимущества и недостатки.

Выполнен анализ результатов исследований, проведенных М.Ю. Абелевевым, Ю.М. Абелевым, В.П. Ананьевым, В.В. Аскалоновым, Ю.А. Багдасаровым, А.М. Головановым, Я.Д. Гильманом, Б.Ф. Галаем, В.А. Ильичевым, Б.Н. Исаевым, В.И. Крутовым, Б.Н. Кузиным, В.В. Логутиным, Г.М. Ломидзе, Ю.Н. Мурзенко, А.А. Мустафаевым, А.П. Пшеничкиным, Б.А. Ржаницыным, В.И. Сергеевым, В.Е. Соколовичем, Е.А. Сорочаном, Н.Н. Цапковой, Н.А. Цытовичем и другими.

Показано, что одним из эффективных мероприятий по улучшению прочностных и деформационных свой­ств любых сжимаемых дисперсных грунтов является метод «Геокомпозит». Создание геокомпозита осуществляется путем инъектирования в грунт твердеющего раствора. Внедряющийся рас­твор формирует при твердении жесткие включения. Фрагменты грунтового массива, заключенные между ними, уплотня­ются давлением инъектируемого раствора, приобретая улуч­шенные механические характеристики. Жест­кий каркас из затвердевшего раствора допол­нительно упрочняет грунтовый массив.

В развитие метода «Геокомпозит» сотрудниками НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воровича ЮФУ разработан способ армирования грунта вспененными цементогрунтовыми растворами через направленный разрыв.

Суть способа заключается в следующем. Сначала в массиве грунта проходятся скважины с погружением инъектора с резцом. При этом на стенке скважины создается концентратор напряжений треугольной формы. Затем в скважину подается вспененный цементогрунтовый раствор. При подъёме давления в скважине происходит раскрытие трещины и образование вертикальной плоскости разрыва (выполняется направленный гидроразрыв). Это происходит за счёт того, что напряжения в грунте около концентратора выше, чем на остальной поверхности скважины. При этом в процессе нагнетания твердеющего раствора производится замачивание, уплотнение и армирование в одну стадию. Армирование выполняется в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости.

Этот метод в основном хорошо себя зарекомендовал на различных объектах Северного Кавказа, однако при производстве работ возникают существенные затруднения.

Так, концентратор напряжений треугольной формы создается по всей длине скважины и оплывает в пластичных грунтах. При попадании на твердые включения возникают «задиры», а жесткое закрепление резца на наконечнике делает нечетким создаваемый концентратор. За счет вибрации при погружении запорной части происходит некачественное запирание зоны инъецирования. Затруднительно погружение инъектора на большую глубину. Поэтому способ требует доработки и более глубокого изучения.

Вторая глава посвящена разработке способов усиления грунтов и контроля качества цементогрунта.

Для создания четкого концентратора напряжений в скважине в пределах зоны нагнетания цементогрунтового раствора автором в составе группы разработчиков НИПП «ИНТРОФЭК» разработан и экспериментально подтвержден способ усиления грунтов путём создания гидроразрывов и устройство для его осуществления. На данный способ получен патент [3].

Способ усиления грунтов осуществляется с помощью устройства, которое включает трубу, наконечник, резец, размещенный в проточке наконечника, выполненный в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы и соединенный с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки. Резец крепится к наконечнику с помощью металлических планок (рис. 1).

Способ осуществляется в следующей последовательности.

Сначала бурится скважина на глубину заходки и в нее опускается устройство, которое нарезает на стенке скважины концентратор напряжений в зоне нагнетания. Затем его извлекают из скважины.

На следующем этапе в скважину устанавливается устройство для введения в грунт крепителя, выполненное в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины. При введении под давлением в массив грунта крепителя образуется вертикальная плоскость разрыва с армоэлементом. Для исключения выбивания раствора зазор между стенкой скважины и устройством для введения крепителя заполняют быстро-твердеющим материалом (гипсом).

После завершения армирования и сброса давления устройство извлекается из скважины. В зависимости от общей высоты зоны закрепления и количества заходок процесс повторяется.

При применении способа усиления грунтов, описанного выше, в слабых водонасыщенных грунтах происходит некачественная нарезка концентратора напряжений и его оплывание. Введение крепителя и образование плоскости разрыва возможно при установке и поэтапном извлечении обсадных труб.

Рис. 1. Продольный разрез скважины и устройство

1–труба; 2–наконечник; 3–резец; 4–фиксатор; 5–стопорный элемент; 6–вилка; 7– планки; 8–скважина; 9–концентратор напряжений; 10–армоэлемент;

11–зазор, заполненный гипсом; 12– устройство; 13–теряемая манжета

С целью исключения оплывания стенки скважины и обеспечения возможности нарезки концентратора напряжений на основе вышеописанного способа автором в составе группы разработчиков был разработан способ усиления водонасыщенных грунтов и устройство для его осуществления. На данный способ получен патент [5].

Устройство для нарезки концентратора напряжений в водонасыщенных грунтах состоит из трубы, наконечника и вращающегося резца. Наконечник выполнен с кольцевым центрирующим элементом, закрепленным с помощью ребер на центральном стержне и имеющим боковую прорезь для выдвижения резца, а также свободные полости для прохождения крепящего раствора при поступательном движении устройства в скважине (рис. 2).

Способ осуществляется в следующей последовательности.

Сначала производят бурение скважины под давлением крепящего раствора (например, вспененного цементогрунтового раствора) с плотностью, исключающей оплывание стенки скважины. Затем погружают устройство в скважину, заполненную раствором, которое нарезает на стенке скважины концентратор напряжений в зоне нагнетания. Затем его извлекают из скважины.

Рис. 2. Сущность способа и устройство для нарезки концентратора

1–труба; 2–наконечник; 3–вращающийся резец; 4–кольцевой центрирующий элемент; 5–ребра жесткости; 6–боковая прорезь; 7–свободные полости;

8–скважина; 9–концентратор напряжений; 10–армоэлемент

На следующем этапе в скважину устанавливается устройство для введения в грунт крепителя так, как описано выше. При введении под давлением в массив грунта крепителя образуется вертикальная плоскость разрыва с армоэлементом. В зависимости от общей высоты зоны закрепления и количества заходок процесс повторяется.

При проектировании и строительстве зданий и сооружений повышенной этажности, возводимых на структурно-неустойчивых и слабых водонасыщенных грунтах в последнее время широкое распространение получили плитные фундаменты. Согласно ТСН 50-306-2005 Ростовской области «Основания и фундаменты повышенной несущей способности», разработанных с участием автора, при укреплении грунта в основании таких фундаментов нагнетание растворов следует вести через трубки, устанавливаемые в теле фундамента. Конструктивная схема закрепления через инъекционные трубки приведена на рис. 3.

Автором в составе группы разработчиков на уровне изобретения предложен способ формирования регулируемых пространственных структур, повышающий надежность армирования структурно-неустойчивых и слабых водонасыщенных грунтов в основании зданий и сооружений. На изобретение подана заявка на получение патента.

Рис. 3. Конструктивная схема закрепления грунтов через инъекционные трубки, устанавливаемые в теле фундамента: а – план, б – разрез

1–плита; 2–инъекционные трубки; 3–закрепленный массив; 4–подготовка

Способ осуществляется в следующей последовательности.

Сначала бурится скважина. На её стенке по одному из вышеописанных способов выполняется продольный концентратор напряжений. Запирается верхняя часть скважины и в массиве образуется вертикальная плоскость разрыва, которая заполняется под давлением твердеющим материалом (например, вспененным цементогрунтовым раствором). При этом образуется армоэлемент. Затем производят выдержку твердеющего материала от 7 до 24 часов, зачищают скважину в этом возрасте, выполняют разворот резца под заданными углами в диапазоне от 0 до 360° и, создавая армоэлементы, формируют структурные элементы требуемой формы и размеров.

Разрывы и армоэлементы могут быть размещены под любыми углами в диапазоне от 0 до 360° в зависимости от поставленных задач, формы фундамента и требуемой степени армирования (рис. 4).

Из созданных структурных элементов компонуют в основании фундаментов зданий и сооружений пространственные структуры путем объединения их в плане и по высоте для совместной работы (рис. 5). Изменяя длину, толщину, высоту и прочностные показатели твердеющего материала армоэлементов, можно в широком диапазоне менять степень армирования грунтового массива и его геотехнические характеристики.

Рис. 4. Структурные элементы, созданные из армоэлементов

под углами а – 90° и б – 120°

Рис. 5. Пространственные структуры: а – прямоугольной; б – шестигранной; в – треугольной форм

Как известно, для контроля качества укрепления грунта в основании фундаментов, согласно действующим нормам, требуется проверка соответствия проекту прочностных и деформационных характеристик цементогрунтового камня.

Как правило, параметры закрепления контролируются путем вскрытия шурфами опытных инъекций, выполняемых за пределами фундамента. Под плитными фундаментами проходка шурфов невозможна. Ввиду этого, а также с целью снижения стоимости работ, сокращения сроков их выполнения, расширения диапазона и повышения качества исследования характеристик автором в составе группы разработчиков была разработана и опробована методика контроля качества цементогрунта по пробам нарушенной структуры. На способ контроля качества получен патент [4].

Способ основан на методе объёмного анализа – титровании, заключающемся в постепенном прибавлении раствора известной концентрации (стандартного раствора) к анализируемому раствору с целью установления концентрации последнего.

Сущность метода заключается в том, что до начала работ по закреплению в лаборатории производится приготовление эталонных составов цементогрунта (например с 10, 20, 30, 40 и 50% содержанием цемента Q) и изготовление серии образцов из них (кубики, цилиндры). Образцы цементогрунта эталонных составов испытываются по действующим ГОСТам в разном возрасте их твердения с последующей математической обработкой результатов и установлением калибровочных зависимостей (1,2,3,4).

R = f (Q); (1)

Е = f (Q); (2)

= f (Q); (3)

С= f (Q); (4)

где R, Е, и С – соответственно предел прочности на одноосное сжатие, модуль деформации, угол внутреннего трения и сцепление, определенные на образцах цементогрунта эталонного состава.

Далее устанавливают остаточную щелочность цемента в эталонных составах на пробах нарушенной структуры при разном возрасте их твердения. Водная вытяжка из обезвоженной пробы титруется 0,1N раствором НСl в присутствии индикатора фенолфталеина до обесцвечивания малиновой окраски. Объем кислоты, пошедшей на нейтрализацию остаточной свободной щелочи цемента, является показателем, определяющим количество цемента в пробе, а значит, и уровня качества цементогрунта. По результатам эксперимента после математической обработки получают калибровочную зависимость

Q= f (V0,1 N HCl, Т), (5)

где Т– время, сутки;

V 0,1 N HCl – объем HCl, израсходованный на нейтрализацию остаточной свободной щелочи цемента в водной вытяжке, полученной из пробы нарушенной структуры эталонного состава, мл.

Затем производят отбор пробы цементогрунта нарушенной структуры в точке контроля, приготавливают водную вытяжку из обезвоженной пробы, определяют остаточную щелочность цемента и по этой величине осуществляют оценку качества цементогрунта с использованием калибровочных зависимостей (1)–(4) полученных в лаборатории.

С целью отработки технологии нагнетания крепящих растворов через направленные разрывы с использованием разработанных способов, определения осадок фундамента при проектных нагрузках, а также уточнения модуля общей деформации армированного основания были проведены опытные работы на двух экспериментальных площадках.

Первая опытная площадка располагалась на территории строительства комплекса 10-этажных жилых домов по ул. Тружеников в г. Ростове-на-Дону.

Изысканиями установлено, что основание площадки сложено насыпными неслежавшимися грунтами мощностью 0,2–5,5 м, просадочными грунтами мощностью 1,0–2,6 м. Площадка относится к 1-му типу грунтовых условий по просадочности. Далее залегают суглинки мягкой и текучепластичной консистенции, которые подстилаются суглинками полутвердой консистенции. Уровень грунтовых вод установился на глубине 5,3–6,3 м от поверхности земли.

На первом этапе был забетонирован опытный фундамент размером 1,51,5 м. Затем осуществлялось армирование грунтов в основании опытного фундамента разработанным способом усиления водонасыщенных грунтов. После укрепления грунтов вспененными цементогрунтовыми растворами опытный фундамент нагружался с помощью блоков ФБС до проектных нагрузок ступенями согласно ГОСТ.

Рис. 6. Схема укрепления грунтов основания опытного фундамента

Наблюдение за осадками опытного фундамента велось при помощи нивелира по четырем маркам, установленным в теле фундамента.

По методике ГОСТ был рассчитан модуль деформации усиленного основания Е, значение которого составило 22,4 МПа. Наибольшее удельное давление на штамп составило 0,20 МПа. Осадка штампа при этой нагрузке составила 14,5 мм.

На основании полученных данных были запроектированы плитные фундаменты 10-этажных жилых домов на закрепленном основании. Здания построены и введены в эксплуатацию в 2008 г. Геодезические наблюдения показали, что средняя осадка зданий за два года эксплуатации при нормативном давлении 180 кПа составила 34,6 мм.

Другие полевые испытания выполнены на площадке строительства жилых домов в мкр. Веселое-Псоу Адлеровского района г. Сочи.

В основании фундаментов залегали легкие, непросадочные, ненабухающие, полутвердые глины, подстилаемые непросадочными легкими, песчанистыми, мягкопластичными и текучепластичными глинами, переходящими в галечниковый грунт – галька, гравий с супесчаным заполнителем. Уровень подземных вод зафиксирован на глубине 1,2–1,8 м от поверхности земли. Сейсмичность площадки с учетом грунтовых условий – 9 баллов.

Всего было испытано четыре опытных фундамента. Площадки испытания опытных фундаментов выбраны на расстоянии 2–3 м от плитных фундаментов зданий. Опытные фундаменты были изготовлены в виде фрагментов плитного фундамента размером 1,51,5 м на укрепленном основании.

Армирование основания производилось элементами из цементогрунта с прочностью на одноосное сжатие 0,8–2,2 МПа, равномерно расположенными по площади опытного фундамента. Использовался разработанный способ усиления грунтов.

После возведения опытных фундаментов и усиления основания было выполнено поэтапное загружение их вдавливающей статической нагрузкой с помощью блоков ФБС согласно ГОСТ.

Величина осадки опытных фундаментов на армированном основании оказались в 10 раз меньше осадки таких же фундаментов на естественном основании, определенной по СНиП. Модули общей деформации, определенные по данным полевых испытаний фундаментов, составили 49,0–58,0 МПа и отличались между собой не более чем на 20 %.

Рис. 7. Схема укрепления основания опытных фундаментов:

1– опытный фундамент; 2– армоэлементы; 3– зона закрепления;

4– запорный слой из отсыпанного утрамбованного грунта

В результате проведенных опытных работ была отработана технология нагнетания крепящих растворов через направленные разрывы с использованием разработанных способов. Предложенные способы обеспечивают укрепление и армирование структурно-неустойчивых и водонасыщенных грунтов. За счет армирования грунтов элементами из цементогрунтового камня повышается несущая способность и снижается деформативность основания.

В третьей главе приведены результаты исследования НДС оснований, усиленных структурными армоэлементами из цементогрунта.

Большой вклад в изучение НДС оснований внесли С.М. Алейников, А.А. Бартоломей, А.К. Бекетов, А.Н. Богомолов, Г.В. Васильков, Н.М. Герсеванов, М.Н. Гольдштейн, М.И. Горбунов-Посадов, В.П. Дыба, В.В. Логутин, Ю.Н. Мурзенко, О.Е. Приходченко, В.А. Пшеничкина, А.Ф. Селезнев, Е.А. Сорочан, Г.М. Скибин, В.М. Улицкий, А.Б. Фадеев, В.А. Флорин, Н.А. Цытович, К.Ш. Шадунц и др.

Проведен анализ методик расчета оснований по деформациям согласно различным нормативным документам (СНиП, СП, ТСН). Сделан вывод о том, что эти методики не в полной мере согласуются между собой и обладают рядом недостатков. Так, расчет осадок основания, армированного элементами из цементогрунта, проводят с использованием средневзвешенного модуля деформации для армиро­ванного слоя грунта. Не учитывается фактическое расположение армоэлементов, а параметры закрепления входят в расчеты косвенно.

Для того чтобы при расчетах учитывать влияние различных факторов при любом их сочетании, необходимо использовать существующие программные комплексы, основанные на методе конечных элементов, которые позволяют определить деформации армированного основания.

Для проведения численного моделирования НДС оснований, усиленных элементами повышенной жесткости, был выбран программный комплекс «ANSYS», который позволяет моделировать пластическое поведение материала. В расчетах использована упругопластическая модель Друкера-Прагера с известными из испытаний грунтов по ГОСТу механическими параметрами (Е,, С, ). Всего было решено более 200 задач при различных сочетаниях параметров усиления.

На первом этапе решена серия тестовых задач по исследованию влияния размеров расчетной области основания, размеров конечных элементов на окончательный результат. На частных примерах показывается достоверность результатов вычислений по МКЭ сходимостью с результатами расчета по СНиП (погрешность менее 5 %).

Далее были проведены численные эксперименты по взаимодействию плитных фундаментов с основанием, армированным регулируемыми структурными элементами (рис. 8). По результатам определения НДС оснований с различными параметрами закрепления было выявлено существенное влияние каждого из них в отдельности.

Рис. 8. Фундаментная плита на основании, армированном

структурными элементами

На рис. 9 показано влияние параметров усиления на деформации основания, определенные по МКЭ и методикам СНиП 2.02.01-83* и СП 50-101-2004.

Таким образом, при проектировании основания, армированного регулируемыми структурными элементами, необходимо учитывать влияние различных факторов (содержание цемента в цементогрунтовом камне Q, размер ячейки структурных армоэлементов bae, их толщина ae, глубина усиленного основания hae, вынос армоэлементов за грань фундамента dae) на его осадку.

Для выбора оптимального проектного решения и нахождения значений осадки при различном сочетании параметров пространственных структур необходим большой объем численных исследований. Современные методы планирования эксперимента и обработки его результатов позволяют существенно сократить число необходимых для проведения опытов.

В качестве функции отклика в настоящей работе было принято изменение осадки основания Sae/S (Sae – осадка основания, закрепленного структурными элементами, S – осадка естественного основания). Входными параметрами явились факторы, оказывающие существенное воздействие на объект исследования (Q, bae, ae, hae/H, dae). При планировании применялся центральный композиционный план второго порядка полного факторного эксперимента (ПФЭ).

Для определения Sae и S были выполнены численные эксперименты с использованием программного комплекса «ANSYS».

В результате установлена аналитическая зависимость между деформацией основания, усиленного структурными цементогрунтовыми элементами (Sae/S), и параметрами закрепления:

Sae/S=(1,11 – 0,00163 Q – 0,185 bae + 3,446 ae – 1,009 hae/H –

– 0,121 dae + 0,0002 Q bae – 0,0043 Q ae – 0,0034 Q hae/H – 5,9410-4 Qdae +

+ 0,0714 bae hae/H – 2,087 ae hae/H + 0,0518 dae hae/H – 0,0012 Q baehae/H +

+ 0,028 Q ae hae/H+ 7,23810-4 Q dae hae/H + 1,9210-5 Q2 + 0,053 bae2 –

–24,71 ae2 + 0,321 (hae/H)2 + 0,015 dae2)k1 k2 (6)

(7)

k2=, (8)

где – средневзвешенный модуль деформации, определяемый в пределах H с учетом площади эпюр вертикальных напряжений;

Рис. 9. Влияние параметров усиления на деформации основания

Н – глубина сжимаемой толщи;

Еi – модуль деформации слоя.

Для определения оптимального сочетания параметров закрепления автором разработана компьютерная программа «Армомассив 2010».

Программа работает в следующей последовательности.

Сначала вводится информация о размерах фундамента (ширина, длина), давлении по его подошве, глубине заложения фундамента. Далее задаются физико-механические параметры грунта основания плитного фундамента, а также назначается величина предельной осадки здания, исходя из рекомендаций нормативных документов.

После этого предлагается ввести значение глубины усиления. При этом начальные минимальные значения параметров Q, bae, ae, и dae уже заданы по умолчанию. Также на этой стадии вычислений предлагается ввести или согласиться с уже введенными значениями единичных расценок на усиление основания.

Рис. 10. Блок-схема программы «Армомассив 2010»

Далее программой по формуле (6) вычисляется значение осадки основания, усиленного структурными элементами повышенной жесткости и проверяется условие о непревышении допустимого значения. Если условие выполняется, то производится расчет стоимости усиления. После перебора всех параметров усиления с использованием вложенных циклов программа выбирает такие их значения, при которых стоимость усиления оказалась минимальной. В конце работы на экран выводятся значения этих параметров, осадка усиленного основания и стоимость усиления.

В четвертой главе показывается применение разработанных способов усиления грунтов, контроля качества цементогрунта, а также методики проектирования оснований, закрепленных регулируемыми пространственными структурами на реальных объектах строительства.

При ликвидации просадочности грунтов основания комплекса зданий по ул. 2-я Краснодарская в г. Ростове-на-Дону был применен разработанный способов усиления грунтов [3]. Армирование выполнялось через направленные разрывы, получаемые при нагнетании цементогрунтовых растворов. Работы по усилению производились через инъекционные трубки, установленные в теле плиты. На объекте было успешно опробовано устройство для нарезки концентратора напряжений.

В связи с наличием слабых структурно-неустойчивых грунтов в основании комплекса 10-этажных жилых домов по ул. Тружеников/ул. Свердловской в г. Ростове-на-Дону проектом, разработанным автором, было предусмотрено их укрепление элементами повышенной жесткости из цементогрунта с применением способа усиления водонасыщенных грунтов [5]. Скважины бурились под давлением цементогрунтового раствора с плотностью, исключающей оплывание стенок и обеспечивающей устойчивость и форму концентратора напряжений. Усовершенствованное устройство для создания концентратора хорошо себя зарекомендовало.

Контроль качества цементогрунта под плитными фундаментами производился с использованием предложенного выше способа [4] и позволил определить прочностные и деформационные характеристики цементогрунтового камня с наименьшими трудозатратами.

Проводимые геодезические наблюдения за зданиями показывают, что деформации основания не превышают предельных значений. Экспуатационная надежность сооружений обеспечена.

При усилении грунтов основания II типа по просадочности подземной автостоянки по пр. Чехова / ул. Горького в г. Ростове-на-Дону было применено конструктивное решение по устройству в грунтовом массиве структурных армоэлементов из цементогрунта. Параметры усиления подбирались по предлагаемой методике с помощью программы «Армомассив 2010». Это позволило более рационально распределить армоэлементы в грунтовом основании, а применение разработанного способа – снизить сметную стоимость и энергоемкость работ.

Общие выводы

1. Разработаны новые способы усиления грунтов цементогрунтовыми растворами через направленный гидроразрыв, которые позволяют повысить качество закрепления, существенно снизить стоимость, энергоемкость и сроки проведения работ.
2. Предложен способ формирования регулируемых пространственных структур из цементогрунта, позволяющий создавать замкнутые более жесткие и надежные закрепленные массивы.
3. Разработана и опробована методика контроля качества цементо-грунта по пробам нарушенной структуры, которая позволяет определять прочностные и деформационные характеристики цементогрунтового камня под плитными фундаментами, значительно сокращая трудоемкость работ.
4. В результате проведенных полевых экспериментов отработана технология нагнетания крепящих растворов через направленные разрывы с использованием разработанных способов. Предложенные способы обеспечивают укрепление и армирование структурно-неустойчивых и водонасыщенных грунтов, за счет чего значительно повышается несущая способность и снижается деформативность основания.
5. По результатам численных экспериментов установлена аналитическая зависимость между деформацией основания, усиленного структурными цементогрунтовыми элементами, и параметрами закрепления.
6. Составлена компьютерная программа «Армомассив 2010», позволяющая определить оптимальное сочетание параметров закрепления при минимальной стоимости.
7. Разработанные способы усиления грунтов, контроля качества цементогрунта, а также методики проектирования оснований, закрепленных регулируемыми пространственными структурами, применены на реальных объектах строительства и позволили снизить расход материалов на 20 %, сократить время выполнения работ и производственные затраты.

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах:

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,

определенных ВАК РФ:

1. Кузнецов М. В., Бадеев С. Ю., Исаев В. Б. Контроль качества цементогрунта по пробам нарушенной структуры // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2008. № 6. С. 6-9
2. Опыт закрепления грунтов цементогрунтовыми элементами / М. В. Кузнецов [и др.] // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2010. № 5. С. 29-32.

Патенты:

3. Способ усиления грунтов и устройство для его осуществления : пат. 2260092 / Б. Н. Исаев [и др.]. № 2003135446 ; заявл. 04.12.2003 ; опубл. 10.09.2005, Бюл. № 25.
4. Способ контроля качества цементогрунта : пат. 2298789 / Б. Н. Исаев [и др.]. № 2005129432 ; заявл. 21.09.2005 ; опубл. 10.05.2007, Бюл. № 13.
5. Способ усиления водонасыщенных грунтов : пат. 2392382 / Б. Н. Исаев [и др.]. № 2008134096 ; заявл. 19.08.2008 ; опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17.

Публикации в других изданиях:

6. Кузнецов М. В., Бадеев В. С. Выбор оптимального шага армоэлементов с учетом стоимости работ по усилению грунтов // «Строительство-2004» : материалы юбилейной междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2004. С. 93-94.
7. Кузнецов М. В., Логутин В. В. Инъектор для закрепления водонасыщенных грунтов // «Строительство-2005» : материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2005. С. 153-154.
8. Кузнецов М. В. Устройство для армирования грунта вспененными цементо-грунтовыми растворами через направленный разрыв // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. 2005. № 9. С. 388-389.
9. Кузнецов М. В., Логутин В. В. Опыт применения нового способа контроля качества цементного грунта // «Строительство-2006» : материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2006. С. 145-147.
10. Кузнецов М. В. Новый способ контроля качества цементогрунта // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. 2006. № 10. С. 375-376.
11. Кузнецов М. В., Логутин В. В. Статические испытания армированного основания // «Строительство-2007» : материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2007. С. 171-172.
12. Усиление водонасыщенных грунтов цементно-грунтовыми растворами / М. В. Кузнецов [и др.] // «Строительство-2009» : материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2009. С. 172-173.
13. Устройство для укрепления грунтов «Забивной инъектор с резцом» / М. В. Кузнецов [и др.] // Экология. Экономика. Информатика : XXXVIII конф. «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования». Ростов н/Д : Изд-во СКНЦ ВШ, 2010. С. 164.
14. Опыт укрепления слабых водонасыщенных грунтов экологически безопасными растворами / М. В. Кузнецов [и др.] // Экология. Экономика. Информатика : XXXVIII конф. «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования». Ростов н/Д : Изд-во СКНЦ ВШ, 2010. С. 170-174.
15. Научно-техническое сопровождение строительства комплекса высотных зданий в г. Ростове-на-Дону / М. В. Кузнецов [и др.] // «Строительство-2010» : материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2010. С. 144-146.
16. Стабилизация неравномерных осадок телевизионной башни в г. Ростове-на-Дону методом цементации через направленные разрывы / М. В. Кузнецов [и др.] // «Развитие городов и геотехническое строительство» : тр. междунар. конф. по геотехнике. М., 2010. С. 1633-1636.
17. Экологически безопасные инъекционные методы преобразования грунтов в геотехнике / М. В. Кузнецов [и др.] // «Актуальные проблемы фундаментостроения на юге России : материалы Рос. науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Ю. Н. Мурзенко и А. П. Пшеничкина, Новочеркасск, 2010. Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2010. С. 196-198.
18. Кузнецов М. В. Способ создания в грунтовом массиве регулируемых пространственных структур из цементогрунта / М. В. Кузнецов [и др.] // «Строительство-2011» : материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2011. С. 215-216.

Подписано в печать 05.05.11. Формат 6084/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.- изд. л. 1,4.

Тираж 100 экз. Заказ 148.

_________________________________________________________________

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162