5 ВВЕДЕНИЕ
Работы по возведению фундаментов и подземных сооружений в общем объёме строительно-монтажных работ в стране занимают 7-15% сметной стоимости строительства, 10-20% затрат труда, 15-20% общей продолжительности работ по возведению зданий и сооружений, 20-25% общего расхода бетона в строительстве. В свою очередь, в пределах приблизительно 15% территории СНГ и ближнего зарубежья имеются отложения лессовых грунтов, которые обладают просадочными свойствами и залегают непосредственно под растительным слоем. Лессовые породы широко распространены среди континентальных четвертичных отложений. На территории СНГ лессовые породы занимают площадь равную 3,3 миллиона квадратных километров. Это составляет около 14% континентальной поверхности СНГ, из них примерно 35% площади европейской части и около 7% -азиатской. На Украине они охватывают свыше 70% всей территории республики. Лессовыми и лессовидными породами заняты более 25% общей территории центральной и южной частей Средней Азии, а также значительная площадь в западной части Западно-Сибирской низменности [67]. Возведение и реконструкция надежных фундаментов и подземных сооружений на просадочных и других структурно-неустойчивых и слабых грунтах вызывает необходимость дополнительных стоимостных и материально-технических затрат. Поэтому использование местных грунтов, закрепленных вяжущими, по эффективным технологиям, имеет большое практическое значение.
При повышении плотности застроенных территорий, реконструкции и создании современных инфраструктур в стесненных условиях, возникают сложности связанные с тем, что многие работы производятся на лессовых просадочных грунтах, распространенных на значительной части, территории Российской Федерации и стран СНГ. Решить эти проблемы можно лишь при использовании таких методов искусственного улучшения грунтов оснований,
при которых не возникают динамические воздействия на грунты основания и фундаменты существующих зданий от механического и статического уплотнения. Химические инъекционные методы позволяют решить имеющиеся проблемы. Однако, относительно высокая стоимость и дефицитность химических реагентов, зависимость инъекционных способов от коэффициента фильтрации «kf», степени водонасыщенности «sr» а также от минералогического состава закрепляемого грунта, не позволяет применять их как основные строительные мероприятия в широком масштабе.
Поэтому поиск новых методов и способов, удовлетворяющих всем условиям строительства зданий на просадочных породах вблизи от существующих сооружений, в том числе при реконструкции, является актуальным.
Одним из таких, способов, сочетающим в себе элементы физико-химического и конструктивного улучшения строительных свойств лессовых просадочных пород, является - их армирование вертикальными цементогрун-товыми элементами, изготовленными современными способами, включая: бу-росмесительный, струйный, инъекционный, термический, комбинированный. Среди отмеченных наиболее приемлемым в стесненных условиях является буросмесительный, основаный на смешении переведенного в текучее состояние просадочного грунта с водоцементным раствором непосредственно в массиве грунта. В России, вертикальное армирование грунтов, как способ их упрочнения, начал применяться для закрепления илов уже в начале 70-х годов, а с 1980 года распространен и на лёссовые просадочные породы.
Перспективность такого армирования заключается в: полной или частичной ликвидации просадочных свойств грунтов оснований зданий и сооружений при капитальном строительстве, а также, что очень важно, в условиях реконструкции при стесненных условиях; возможности полной механизации работ по устройству вертикальных цементогрунтовых армоэлементов; независимости от коэффициента фильтрации «kf», степени водонасыщения «sr», активности поглощающего комплекса закрепляемого грунта; снижении объема
j : 7
земляных работ и расхода привозных строительных материалов; сокращении сроков возведения «Т» и стоимости строительства «Сс».
Целью диссертационной работы является: разработка нового метода расчёта прочности и деформативности просадочных грунтовых оснований, армированных вертикальными армирующими элементами с учётом совместного деформирования грунтов и армирующих его элементов.
Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, приложения и списка использованных источников.
Во введении работы обосновывается актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи диссертации, её научная новизна, приводится информация о практической ценности и о реализации результатов исследований.
В первой главе приведён обзор и анализ существующих способов армирования оснований, сложенных просадочными грунтами, и методы их расчёта.
Во второй главе приводится методика экспериментальных исследований грунтов, армированных вертикальными армирующими элементами.
Третья глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований. Приводятся графики деформирования армированных грунтов; эпюры контактных напряжений, деформаций и осадок штампа для испытанных моделей.
В четвёртой главе предлагается аналитический метод расчёта прочности и деформативности оснований, сложенных просадочными грунтами и армированных вертикальными элементами. Приводится сравнение теоретических и экспериментальных значений прочности и деформации армированных оснований.
В приложении приведены: перечень основных сфер применения армирования грунтов в строительстве; результаты полевых испытаний составленного буросмесительного агрегата; пример расчета грунтового основания, армированного вертикальными элементами в просадочных грунтах.
В работе поставлены следующие задачи:
1. Анализ существующих способов армирования оснований, сложенных просадочными грунтами. Выявление основных закономерностей разрушения, развития напряжений и деформаций, в отдельных составляющих армированного массива грунта, и армированном основании в целом.
2. Качественный и количественный анализ существующих методов расчёта прочности и деформативности оснований, армированных вертикальными армоэлементами.
3. Экспериментальные исследования прочности и деформативности грунтов, армированных вертикальными армоэлементами.
4. Разработка на основе теоретических исследований методов расчёта прочности и осадки оснований, сложенных просадочными фунтами и армированных вертикальными армоэлементами.
5. Оценка точности и достоверности предлагаемого метода расчёта прочности и осадки армированных оснований, сложенных просадочными грунтами путём сравнения результатов теоретических исследований с данными полученными в результате экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических исследований напряжённо-деформированного состояния, возникающего в массиве грунтового основания армированного вертикальными элементами, сложенного из просадочных пород, при действии внешних нагрузок;
- метод расчёта прочности армированных оснований, сложенных просадочными грунтами;
- метод расчета осадок армированных оснований, сложенных просадоч-
ными грунтами;
- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности армированных грунтов;
- результаты проверки точности и надежности предлагаемых методов расчета прочности и деформативности армированных оснований, сложенных просадочными грунтами.
Научную новизну работы представляют:
-общие уравнения механического состояния вертикально армированных грунтовых оснований, сложенных просадочными породами с учетом пластических свойств грунтов, реальных режимов деформирования материалов армированного массива при действии внешних нагрузок и увлажнении массива;
-методы расчета прочности армированных оснований, сложенных просадочными грунтами в условиях природной влажности (WWsl);
-методы расчета осадки армированных оснований фундаментов, сложенных просадочными грунтами в условиях природной влажности {WWsl);
-результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности армированных просадочных грунтов.
Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны методы расчета прочности и осадки армированных оснований фундаментов, сложенных просадочными грунтами, позволяющие повысить достоверность расчетных значений несущей способности и деформативности упрочненного вертикальным армированием грунтового основания, и за счет этого получить экономичные проектные решения.
10 :
Объём работы:
Диссертационная работа содержит страниц - 251, в том числе, приложений - 5, иллюстраций - 67, таблиц - 25, использованных источников - 173.
Исследования проводились под руководством доктора технических наук, профессора, советника РААСН И.Т. Мирсаяпова. Экспериментальная часть работы проведена под руководством доктора технических наук, профессора А.З. Хасанова при консультации кандидата технических наук, профессора А.Н. Токина, которым автор выражает глубокую признательность.
11
'U Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ
п УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
] 1.1. Особенности и строительные свойства лессовых просадочных пород
О
Изучением лессовых пород занимались видные русские ученые !] Л.С.Е
п Л.С.Берг, И.П.Герасимов, К.И.Лисицын, В.А.Обручев, А.П.Павлов,
Б.Б.Полынов, П.А.Тутковский, И.И.Трофимов и др., создавшие ряд научных
Г!
11 теории о происхождении этих пород включая: эоловую, водно-ледниковую,
пролювиальную, делювиальную, аллювиальную, почвенно-аллювиальную и
У др. Среди них, распространение получили: эоловая, водно-ледниковая и про-
п лювиальная гипотезы. Однако единого мнения о происхождении лессовых
просадочных пород нет, несмотря на ряд выше предложенных теорий.
|! В связи с интенсивным строительством в районах распространения лес-
совых пород в нашей стране проводятся систематические, фундаментальные
У исследования лессовых грунтов, строительные свойства которых, необходимо
ц знать для обоснованного строительства промышленных, гражданских, транс-
портных и гидротехнических зданий и сооружений. Необходимо отметить ра-
3 боты: Ю.М.Абелева, М.Ю.Абелева [1], М.Я.Денисова [38], Н.И.Кригера [51,
53], Г.А.Мавлянова [64], М.Н.Гольштейна [28], А.К.Ларионова [56],
l! В.П.Ананьева [5,6], В.И.Крутова [55], Е.М.Сергеева [111], Е.А.Сорочана [116,
щ 117], И.В.Попова [85], К.И.Лукашева [60], В.С.Быкова [24], А.А.Мустафаева
[78], А.А.Мусаэляна [69], Э.В.Кадырова [47], Л.Г.Балаева [12] и других иссле-
щ дователей.
Лессовые породы обладают рядом специфических особенностей, что
й определяется структурой этих грунтов. Структура зависит от условий генези-
ц са лессовых пород, процессов диагенезиса и эпигенезиса.
Специфические свойства лессовых пород в основном определяются: крупными вертикально расположенными порами и каналами, растительного и
n
11
П
12
животного происхождения; способность держаться вертикальными обрывами значительной высоты в открытых местах, подвергающихся действию атмосферных осадков; быстрая размокаемость в воде; отсутствие мелкой слоистости; светлая окраска в сухом состоянии. Именно макропористая структура, по мнению Ю.М.Абелева [1], существенно определяет деформационные, прочностные и фильтрационные свойства лессовых пород.
Количество вертикальных макропор существенно определяют анизотропию свойств лессовых пород. По данным Ю.М.Абелева и М.Ю.Абелева, коэффициент фильтрации лессовых пород в вертикальном направлении равен
щ (3-7- 6)-10" см/сек, а в горизонтальном направлении коэффициент фильтрации
для этих же лессовых пород г. Ташкента оказался равным (1 -f- 8)4 О"8 см/сек.
I! Особенность лессовых пород состоит в том, что при водонасыщении и
даже при увеличении влажности существенно увеличиваются их деформаци-
U онные и снижаются прочностные ((рис) свойства. Резкое увеличение дефор-
>П маций лессовых пород под действием постоянной по величине нагрузки, при
увлажнении (W tWsat), названо просадкой. Просадка лессовых пород пред-
Щ ставляет собой неравномерные и большие деформации, преимущественно
вертикального характера, происходящие вследствие существенного изменения
Й их физико-механических свойств под влиянием воздействия влаги в условиях
"I определенного напряженного состояния. Основными условиями возникнове-
ния просадочных деформаций в лессовых породах являются: высокая пористость (более 45%); сравнительно большая, особенно в вертикальном направлении, водопроницаемость, обеспечивающая достаточно быстрое проникновение влаги в глубь толщи; проникновение в грунт воды в количестве, обеспечивающем создание увлажненной зоны с влажностью, отвечающей данному виду грунта и его напряженному состоянию; своеобразный гранулометриче-
Ш ский состав, характеризуемый преобладанием пылеватых (обычно более 50%)
и незначительным содержанием глинистых фракций (до 20%); наличие растворимых в воде солей (хлоридов, сульфатов и карбонатов), покрывающих
}
* ¦
Щ
г]
i : ! I
L.I
13
трубчатые пустоты лессовых пород; а также насыщение кальцием поглощающего комплекса грунта, обуславливающим коагуляцию мелких частиц в агрегаты, способствующие повышению фильтрационных свойств лессовых пород. Природная влажность FF лессовых пород, изменяется в широких преде-' лах от 1 до 39%. При природной влажности FT и с ненарушенной структурой, i' лессовые породы обладают достаточно хорошей несущей способностью.
f • Компрессионные свойства лессовых пород при природной влажности качест-
венно не отличаются от обычных мало сжимаемых связных грунтов. Согласно
Г"1
i | исследованиям Ф.А. Андрюхина, сжимаемость просадочных пород относи-
тельно больше, чем непросадочных.
и Значительно более прочные структурные связи лессовых пород, обу-
П словленные как водно-коллоидными, так и цементационными связями, мало
водостойки, поэтому они так же как мерзлые и илистые, относятся к струк-|| турно неустойчивым породам.
0Н.Я. Денисов [38], Г.А. Мавлянов [67] и другие исследователи указывали, что при повышении влажности, прочность этих пород, вследствие разру-
'7 шения структуры резко снижается. Кроме того, резко снижаются характери-
У
стики сопротивления сдвигу. На эти же явления указывают Н.И.Кригер,
¦А Р.С.Зиангиров, В.И.Осипов и другие современные геологи.
^ Одним из первых предложений, объясняющих механизм процесса про-
•¦i садки в лессовых породах, была солевая гипотеза, предложенная
Ц Б.Б.Полыновым и С.В.Быстровым. Б.А.Замарин, М.М.Решеткин,
А.Г.Глоголев, Г.А.Мавлянов просадочность лессовых пород связывают с вы-Л сокои пористостью и присутствием в них водорастворимых солеи. Согласно
Ф.И.Воронову, структурная прочность лессовых пород обуславливается в ос-li новном гипсом и известью, растворение которых при увлажнении приводит к
Ц нарушению природной устойчивости толщи породы. Однако, учитывая срав-
нительно слабую растворимость в воде этих солей, делается заключение, что ;| растворение и вымывание солеи из породы влияют на развитие просадочных
I деформаций по прошествии достаточно больших промежутков времени.
I1 Удельный вес частиц лессовых пород для всех генетических типов равен ys =26,0 -г 27,4 кН/м . Удельный вес грунтов у изменяется в больших пре-
Ь делах от 12 до 17,4 кН/м3. Величина удельного веса лессовых грунтов опреде-
[1 ляется глубиной расположения исследуемого слоя в толще лессовых пород,
I j
возможности замачивания, генезиса и других факторов. Некоторые виды лес-
п I j совых суглинков, характеризуются способностью к набуханию при замачива-
гщ нии без нагрузки. Величина давления набухания при невозможности подъема
U верхнего штампа компрессионного прибора, для суглинков г. Джизака, co-
ll ставляет от 0,05 до 0,07 МГТа. Величина набухания зависит от начальной по-
ристости породы, его влажности и минералогического состава. Многие лессо-
п
у вые суглинки, которые при замачивании без нагрузки являлись набухающими,
f, после нагружения и замачивания становились просадочными, при этом вели-
" чина относительной просадочности для лессовых суглинков при вертикаль-
ном давлении на образец грунта 0,3 МПа составляла 0,058. Это свидетельствует о том, что склонность лессовых суглинков к набуханию не свидетельст-
п
й вует о том, что эти грунты непросадочные.
Анализ результатов многочисленных исследований отечественных уче-й ных по изучению количественных характеристик просадочных лессовых по-
П род в различных районах показывает, что для большинства из них характерно
постоянное значение величины относительной просадочности ?а на глубину
Ц
U до Юм. Глубже этой отметки, до глубины 25 -г- 40 м., наблюдается снижение
ц величины ss. С увеличением влажности W наблюдается равномерное
уменьшение величины sa и начального просадочного давления/^,.
ij Следовательно, грунты, обладающие просадочными свойствами, не мо-
:;? гут служить надежным основанием под здания или сооружения без техноген-
^ ного преобразования их строительных свойств, как при капитальном строи-
Щ тельстве, так и в условиях реконструкции. Обеспечение надежности и экс-
М
¦ плуатационнои пригодности сооружений возводимых и эксплуатируемых на
I.
И
1' таких грунтах, с помощью различных инженерно-технических мероприятии,
П приводит к удорожанию строительно-монтажных работ, увеличению расхода
материалов и сроков строительства. В настоящее время применяются конст-| j руктивные, механические и физико-химические методы, обеспечивающие не-
обходимую надежность зданий и сооружений, возводимых на просадочных и ^ других структурно-неустойчивых породах [2, 3, 10, 25, 29, 36, 42, 50, 55, 58,
П 61, 85, 89, 93, 95, 98, 117, 122, 126, 141]. Выбор комплекса эффективных ме-
роприятий в каждом конкретном случае, является важной и сложной задачей. |. j В условиях реконструкции наиболее приемлемым методом устранения полной
^ или частичной просадки грунтов является его армирование упрочненными
и элементами, располагаемые в массив вертикально, горизонтально или наклон-
П но. В последнее время распространение получило вертикальное армирование.
г «
У
1.2. Методы армирования грунтов вертикальными элементами
" Создание вертикально расположенных упрочненных элементов в грун-
П товом массиве или насыпи, придает им устойчивость и надежность.
Признание в строительстве это направление получило после опублико-У вания работы французского ученого Анри Видаля, посвященной вопросам
создания "армированного грунта". Им же впервые был запатентован новый 1 вид материала "армированный грунт" (армогрунт). Основными достоинства-
П ми армогрунта являются: простота, легкость изготовления и низкая стоимость.
На начальном этапе своего развития, армирование грунта в основном У использовалось в дорожном и гидротехническом строительстве. В последние
годы, концепция об армированном грунте, вызвала широкий интерес и среди iJ специалистов в области промышленного и гражданского строительства. Не-
г:| смотря на легкость восприятия, эта концепция, привлекает внимание множе-
ством новых теоретических и практических задач, требующих своего реше->| ния. В настоящее время, в нашей стране и за рубежом проводятся многочис-
Л 16
' ' ленные исследования по данной проблеме, а армирование грунта признано в
I j качестве отдельного направления в геотехнике со своим кругом вопросов.
Грунтовое основание, армированное вертикально расположенными в [ | массиве, более прочными по отношению к структурной прочности Pstr грунта
•г, армирующими грунтовый массив элементами, представляет собой искусст-
1' венно улучшенное физико-химическим или конструктивным методом основа-
П ние, формируемое путем устройства в грунтовой среде относительно жестких
элементов. Нагрузка на вертикально армированное грунтовое основание пере-[] дается непосредственно через фундамент мелкого заложения. При этом в кон-
щ тактной зоне, между подошвой фундамента FL и оголовками армоэлементов
" возможны различные варианты передачи давления, в том числе: посредством
[1 непосредственного контакта или через конструктивную прослойку (грунто-
вую, бетонную, железобетонную или горизонтально армированный грунт). У При передачи нормального давления от фундамента на упрочненное
,^р вертикальным армированием грунтовое основание, армирующие элементы,
" включаясь в совместную работу с окружающим их массивом грунта, снижают
Ц деформативность армированной части грунтового массива, взаимодействуя с
грунтом по боковой поверхности за счет сил трения-сцепления и по торцам за у счет сопротивления грунта, подстилающего армированный массив.
г, Напряженно-деформированное состояние грунтового основания, арми-
рованное вертикальными элементами, принципиально отличается как от есте-М ственного основания, так и от свайного фундамента (основания со сваями),
непосредственно контактирующими с ростверком. В известном смысле свай-У ный фундамент можно рассматривать как частный случай армированного вер-
;? тикальными стержнями основания, принимая во внимание тот факт, что проч-
" ность материала бетонных или железобетонных свай в сотни и тысячи раз
:! больше чем окружающий их массив грунта. При этом грунт лишь препятству-
ет погружению свай от нагрузки, передаваемой сооружением, и деформация jj грунта происходит лишь под подошвой условного фундамента.
г! ! t j
~ •;
17 1.2.1. Краткие исторические сведения о становлении и развитии
| > концепции армирования грунтов
IJ Армирование грунтов имеет глубокие исторические корни. Как любое
п перспективное направление в науке, оно находит свое подобие в природных
1 s формах и явлениях (логова животных, гнезда птиц, эффект от корневой сис-
П темы деревьев). Первые упоминания об армировании глины и кирпичей тростником или соломой при сооружении жилья имеются в библии, во второй Г]
[..{ книге Ветхого завета. Известно, что сооружения, возводимые с использовани-
р ем таких, подсказанных природой приемов, существовали в IV и V
il тысячелетиях до нашей эры.
["] Сохранившиеся до наших дней сооружения из армированного грунта,
ti '
среди которых, можно отметить: Зиккурат древнего города Дур-Куригацу, и
I] известного под названием Агар-Каф, высотой до 30м и возведенный более
3000 лет назад [11]; аналогичные строения у г. Ур, завершенное около 2205 г
Li до нашей эры; святилище Мардука у Вавилона, называемое Вавилонской баш-
ней, возведенное около 550 году до н.э. [52], армировалось сплетенными тростниковыми матами. Великая китайская стена, участки которой были завершены приблизительно в 200 году до н.э., представляют собой пример использования армированного фунта в виде смеси глины с фавием, армированной ветвями тамариска [39]. Приемы армирования фунта тростником использовали и римляне при возведении земляных дамб вдоль Тибра. Причал порта Лондиниума в Лондоне, построенный римлянами в I веке, свидетельствует о том, что методы строительства прошлого имеют сходство с современными методами. В иле реки Темзы найдены сохранившиеся на протяжении 1200 лет участки деревянного причала из дубовых брусьев высотой 2 метра, вертикальная фань которого, удерживалась от бокового давления фунта при помощи деревянных армирующих элементов, заанкерованных в обратную засыпку [14]. Вплоть до последнего столетия, методы армирования фунта были |
