Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологии устройства оснований фундаментов зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях 12
1.1. Особенности учета специфических свойств грунтов при выборе технологий устройства оснований фундаментов зданий в сложных грунтовых условиях 12
1.2. Анализ современных технологий устройства оснований фундаментов зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях 16
1.3. Актуальность контроля качества производства работ при строительстве фундаментов зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях. Анализ существующей нормативной базы 26
1.4. Выводы 34
Глава 2. Контроль качества производства работ при возведении оснований из насыпных песчаных грунтов 37
2.1. Характеристика экспериментальных участков 37
2.2. Оборудование и методика для проведения экспериментальных работ по контролю качества уплотнения насыпных песчаных грунтов 42
2.3. Контроль качества уплотнения насыпных песчаных грунтов по технологии гидроразрыва с заполнением пустот и плоскостей твердеющим цементным раствором 44
2.4. Контроль качества уплотнения насыпных песчаных грунтов по технологии послойной укатки катками в несколько проходок до заданного коэффициента уплотнения 55
2.5. Контроль качества уплотнения насыпных песчаных грунтов без применений технологий по уплотнению, проектные характеристики которых должны были быть обеспечены в результате его самостоятельного доуплотнения под собственным весом 87
2.6. Выводы 90
Глава 3. Контроль качества производства работ при возведении оснований из слабых водонасыщенных глинистых грунтов 93
3.1. Характеристика экспериментальных участков, общие положения 93
3.2. Оборудование и методика для проведения экспериментальных работ по контролю качества уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов 96
3.3. Контроль качества уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов при реализации различных технологий ускорения консолидации 105
3.4. Контроль качества уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов при применении песчано-гравийной подушки 117
3.5. Выводы 123
Глава 4. Разработка методики по контролю качества производства работ при возведении комплексного основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов 126
4.1. Общие принципы и подходы к формированию методики 126
4.2. Существующие положения методики контроля качества, применительно к выбранным типам оснований 127
4.3. Методика контроля качества производства работ при возведении комплексного основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов 133
4.4. Выводы 137
Заключение 140
Список использованной литературы 143
Приложения
Приложение 1. Технический регламент контроля качества уплотнения комплексного основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов 151
Приложение 2. Справки о внедрении 157
- Анализ современных технологий устройства оснований фундаментов зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях
- Контроль качества уплотнения насыпных песчаных грунтов по технологии послойной укатки катками в несколько проходок до заданного коэффициента уплотнения
- Контроль качества уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов при реализации различных технологий ускорения консолидации
- Существующие положения методики контроля качества, применительно к выбранным типам оснований
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время на территории Российской Федерации идет широкое освоение незастроенных территорий. Наряду с возведением ключевых, социально значимых объектов, задачей такого освоения является, в том числе привлечение инвестиций для дальнейшего их развития. Зачастую такие территории характеризуются крайне сложными инженерно-геологическими условиями – высоким уровнем грунтовых вод, заболоченностью, наличием заторфованных водонасыщенных глинистых грунтов большой мощности. Сооружения, возведенные в таких условиях, без специальной подготовки территории, испытывают значительные неравномерные осадки, которые могут развиваться в течение длительного времени. В первую очередь, это связано с высокой сжимаемостью макропористых грунтов и крайне низкими их фильтрационными параметрами. Известно, что без применения специальных технологий, ускоряющих процесс консолидации слабых водонасыщенных глинистых грунтов, осадка основания может развиваться в течение нескольких десятков лет. Сейчас идет возведение стадионов: «Юбилейный», расположенного в городе Саранске в пойме реки Инсар; «Ростов Арена», расположенного в городе Ростове-на-Дону в пойме реки Нижний Дон; «Стадиона Калининград», расположенного в городе Калининград в пойме рек Старая и Новая Преголя. Проектные решения для всех этих территорий со сложными грунтовыми условиями едины – это уплотнение мощной толщи слабых водонасыщенных глинистых грунтов различными методами и устройство песчаной насыпи с обеспечением возможности восприятия проектных нагрузок.
Существующая нормативно-техническая база, регламентирующая контроль
качества подготовки таких оснований, рассматривает их раздельно и наиболее
полно охватывает контроль качества уплотнения только насыпных песчаных
грунтов. Рекомендации по контролю качества уплотнения слабых
водонасыщенных глинистых грунтов минимальны и в основном сведены только к наблюдениям за их осадкой, которая определена расчетом при выполнении проекта консолидации.
Комплексное основание, представленное насыпными и слабыми
водонасыщенными глинистыми грунтами, при одновременном их возведении, подвержено взаимному влиянию, что выдвигает дополнительные требования к методике контроля качества производства работ по его подготовке, особенно после завершения процесса консолидации в глинистых грунтах.
До сих пор не существует рекомендаций, применительно к контролю качества производства работ по подготовке комплексного основания и мониторингу за процессами консолидации при строительстве на этих грунтах. Обеспечение безопасности производства работ нулевого цикла зданий и сооружений требует проведение верификации строительно-технологических характеристик грунтов, с использованием современного оборудования, которое уже применяется в практике строительства при контроле и мониторинге, но не нашло отражение в действующих нормативных документах, и может быть использовано при их актуализации.
Степень разработанности темы. В разработку методов контроля качества при возведении фундаментов и подземных сооружений в сложных грунтовых условиях в разное время внесли вклад ряд российских ученых: Абелев Ю.М., Абелев М.Ю., Амарян Л.С., Дашко Р.Э., Жинкин Г.Н., Калмыков В.П., Коваленко Н.П., Коновалов П.А., Крутов В.И., Мочалов А.В., Найфельд Л.Р., Рубцов И.В., Улицкий В.М., Шешеня Н.Л. Обобщенные методы исследований зафиксированы в действующих нормативно-технических документах.
Целью диссертационной работы является теоретическое и
экспериментальное обоснование рациональных способов и параметров контроля качества производства работ при возведении комплексного основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов для разработки методики контроля качества производства работ при возведении на них фундаментов и подземных сооружений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обобщение и анализ современных технологий и действующей нормативно-технической базы, регламентирующей контроль качества производства работ при возведении фундаментов в сложных грунтовых условиях;
- экспериментальные исследования параметров контроля качества
производства работ при подготовке основания из насыпных песчаных грунтов по
различным строительным технологиям: уплотнение гидроразрывом с
заполнением пустот и плоскостей твердеющим цементным раствором; послойная
укатка катками в несколько проходок до заданного коэффициента уплотнения;
самостоятельное доуплотнение под собственным весом;
- сравнительный анализ и выбор рациональных технологий уплотнения
насыпных песчаных грунтов в зависимости от условий строительства;
- экспериментальные исследования параметров контроля качества
производства работ при подготовке основания из слабых водонасыщенных
глинистых грунтов, по различным строительным технологиям ускорения
консолидации (вертикальные пластиковые дрены, песчаные прорези) и без
применения специальных мероприятий по ускорению (только песчано-гравийная
подушка);
- сравнительный анализ и выбор рациональных технологий уплотнения
слабых водонасыщенных глинистых грунтов в зависимости от условий
строительства;
- разработка методики контроля качества производства работ при
возведении комплексного основания из насыпных песчаных и слабых
водонасыщенных глинистых грунтов.
Объектом исследования является организационно-технологический
процесс возведения комплексных оснований из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов. В настоящей работе были рассмотрены и изучены подготовленные грунтовые массивы на различных экспериментальных площадках строительства. Все они расположены в сложных грунтовых условиях – это насыпные песчаные и слабые водонасыщенные глинистые грунты.
Предметом исследования являются параметры и способы контроля качества производства работ при возведении комплексного основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов.
Научная новизна данной работы заключается в разработке и экспериментально-теоретическом обосновании рациональных параметров и способов контроля качества производства работ при возведении комплексного
основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов с учетом не только вертикальных, но и горизонтальных подземных деформаций (выпора) слабых глинистых водонасыщенных грунтов при их уплотнении. В рамках исследования получены следующие научные результаты:
экспериментальные зависимости пересчета модуля деформации, как основной строительно-технологической характеристики сжимаемости грунтового основания, полученные в результате сопоставления различных методов контроля;
качественная оценка степени активности горизонтальных подземных деформаций (выпора) слабых водонасыщенных глинистых грунтов при их уплотнении;
- верификация контролируемых параметров качества производства работ в
сложных грунтовых условиях;
- установлена номенклатура контролируемых параметров качества
производства работ при возведении комплексного основания из насыпных
песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
разработка научно-обоснованного подхода к формированию параметров контроля качества работ при возведении комплексного основания в процессе организационно-технологического моделирования работ нулевого цикла.
разработка методики контроля качества уплотнения грунтов комплексного основания из насыпных песчаных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов, использованной при строительстве нового жилого микрорайона (г.Люберцы, Московская область, Люберецкие поля орошения), многоэтажных «народных» гаражей (пос.Северный, Московская область), здания Медиацентра, различных инфраструктурных сооружений и дорожной сети (г.Сочи, Имеретинская низменность), а также в процессе контроля качества и приемки подготовленного основания на острове Октябрьский в г.Калининграде.
- результаты диссертационной работы могут быть использованы при
разработке нормативно-технической или справочной литературы для
специалистов авторского и технического надзора, отдельных разделов
нормативной документации по инженерно-геологическим изысканиям, а также в практической работе.
Методология исследования базируется на систематизации научных трудов отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области технологии и организации строительства, организационно-технологического моделирования возведения подземной части зданий и сооружений.
Методы исследования включали: общелогические – анализ, обобщение, аналогия, эмпирического исследования – наблюдение, эксперимент, описание, измерение и сравнение; теоретические – идеализация и формализация, а также систематизация научных знаний применительно к теории и практике организационно-технологического моделирования подземных сооружений.
Личный вклад автора
Личное участие автора в полученных научных результатах заключается в постановке задачи данных исследований, выборе объектов и методов исследования, разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, получение и анализа результатов эксперимента, в том числе на основании последующего мониторинга возведенных сооружений, разработке рекомендаций по контролю качества производства строительных работ в сложных грунтовых условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты сравнительного анализа особенностей производства работ при
возведении фундаментов и подземных сооружений в сложных грунтовых
условиях при использовании различных технологий;
- результаты сравнительного анализа способов контроля качества
производства работ в сложных грунтовых условиях, регламентируемых
действующими нормативно-техническими документами;
экспериментальные данные определения параметров контроля качества работ применительно к насыпным песчаным грунтам;
экспериментальные данные определения параметров контроля качества работ применительно к слабым водонасыщенным глинистым грунтам;
- верификация контролируемых параметров и способов контроля качества
производства работ при подготовке комплексного основания с учетом условий
строительства.
Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием тарированного оборудования и приборов, гостированных методик их применения, а также согласованность экспериментальных данных с последующими результатами мониторинга уже построенных зданий и сооружений на изученных в настоящей работе площадках.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях 2010 – 2017 году:
- Научные семинары кафедры «Инновационные технологии в
строительстве» ГАСИС НИУ ВШЭ, посвященные проблемам строительства в
сложных грунтовых условиях и современным методам исследований грунтовых
оснований, 2010 – 2016 г.г;
- Научно-практическая конференция «Проектирование транспортной
инфраструктуры», ФДА Росавтодор, Сочи, 2014;
Юбилейная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора Г.С. Золотарева (1914-2006), МГУ, 2014;
IV научно-практическая конференция «Геотехнический мониторинг и мониторинг развития опасных геологических процессов, ИГИИС, 2016;
- Международная научно-техническая конференция «Транспортная
геотехника и геоэкология», Петербургский Государственный университет путей
сообщения Императора Александра I, Санкт-Петербург, 2017.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты работы опубликованы в 16 статьях и докладах, в том числе 13 статей в издательствах, рецензируемых ВАК РФ и 1 статьи, опубликованной в журнале, индексируемом в международных реферативных базах Scopus и Web of Science.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы, имеющей 86 наименований и 2-х приложений. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, в том числе 138 страниц машинописного текста, 12 листов с графической информацией и 101 рисунок.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Содержание диссертации соответствует пункту 7 – Разработка научных основ, методов и средств контроля и способов повышения качества продукции в строительстве и его производственной базе, Паспорта специальности 05.23.08 – Технология и организация строительства.
Автор считает своим долгом выразить признательность коллективу кафедры «Механики грунтов и геотехники» и лично своему научному руководителю, заведующему кафедрой, кандидату технических наук, доценту Чунюку Дмитрию Юрьевичу. Особую благодарность хочется выразить своему наставнику, Лауреату Государственной премии СССР, Заслуженному строителю России, доктору технических наук, профессору Марку Юрьевичу Абелеву, коренным образом повлиявшего на формирование научных интересов автора.
Анализ современных технологий устройства оснований фундаментов зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях
При расчетных осадках проектируемого сооружения больше предельно допустимых или низких показателей физико-механических свойств насыпных и слабых водонасыщенных глинистых грунтов, как правило, применяют мероприятия, обеспечивающие надежность такого основания: поверхностное уплотнение, устройство грунтовых подушек, глубинное уплотнение грунтовыми сваями, закрепление грунтов, вертикальный дренаж (только для слабых водонасыщенных глинистых грунтов), прорезка свайными фундаментами.
К поверхностным методам уплотнения [11, 29, 31, 61, 71] грунтов относят уплотнение укаткой, тяжелыми трамбовками, трамбующими машинами, виброкатками, виброплитами и вибротрамбовками, а также вытрамбовыванием котлованов, а к глубинным методам [19,20, 71] - грунтовыми и песчаными сваями, глубинными вибраторами, глубинными взрывами, статическими нагрузками от собственного веса, а также от дополнительной пригрузки.
Уплотнение укаткой применяют для всех видов насыпных песчаных, глинистых, крупнообломочных грунтов и аналогичных им отходов производств на свободных участках и при большом фронте работ. Укатку грунтов в основном используют для послойного уплотнения при возведении грунтовых, песчаных, и других подушек, земляных сооружений различного назначения и т.п [54,57,60]. По принципу действия катки классифицируются на вибрационные и статические, по способу передвижения – на самоходные, прицепные и полуприцепные, по числу осей – на одноосные, двухосные и трехосные, по количеству вальцов – на одновальцовые, двухвальцовые, трехвальцовые.
Для уплотнения песчаных и глинистых грунтов при степени влажности менее 0,7 укаткой не рекомендуется применять катки с гладкими вальцами, а также кулачковые катки, так как при заполнении пространства между кулачками и грунтом достигаемая ими глубина обычно не превышает 0,2 ... 0,4 м. Исследования показывают, что виброкатки эффективны для уплотнения только песчаных и гравелистых грунтов и аналогичных им отходов производств. На глинистых грунтах применение виброкатков не эффективно [54,57].
Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками осуществляется с поверхности дна котлована или грунта путем свободного сбрасывания на уплотняемую площадь трамбовки, имеющей в плане, как правило, форму круга [20,57]. Процесс уплотнения грунта происходит под воздействием передающейся на него ударной нагрузки и сопровождается перемещениями частиц грунта в вертикальном и горизонтальном направлениях. До начала 50-х годов для поверхностного уплотнения грунтов трамбованием применялись падающие плиты квадратной формы площадью до 1,0 м2 и весом около 2,0 т, при этом глубина уплотнения не превышала 3 м. Широко применялись трамбовки весом не более 6,0 т, позволяющие уплотнить грунт, при высоте сбрасывания трамбовок 5 - 8 м, на глубину до 3,5 м. При применении трамбовок весом более 10 т, глубина уплотнения повышается до 6,0 м. Дальнейшее развитие уплотнения грунтов тяжелыми трамбовками получило во Франции. В конце 60-х годов фирма «Луи Менард» начала применять трамбовки весом 10 – 20 т. При сбрасывании трамбовок с высоты 25 м достигалось уплотнение песчаных грунтов на глубину до 10 м. В последующем, для уплотнения грунтов была применена трамбовка весом 200 т, при высоте сбрасывания 24 м. Глубина уплотнения насыпных и водонасыщенных заиленных песчаных грунтов с ее использованием достигло 40 м. Этот метод широко распространен в практике строительств и по сей день.
Грунтовые подушки применяют при замене сильно- и неравномерно сжимаемых слабых грунтов [10, 18, 60]. При устройстве грунтовых подушек, как правило, применяются грунты, состояние которых под влиянием природных факторов практически не изменяется или изменяется незначительно и не влияет на прочность и устойчивость земляного полотна. К таким грунтам в основном относятся песчаные грунты, за исключением сильно глинистых и пылеватых песков. Выбор механизмов для уплотнения грунта зависит от вида и влажности грунта, объема работ, толщины отсыпаемого слоя. Отсыпка грунта производится слоями от краев к середине. Для обеспечения требуемого уплотнения краев насыпи ширина отсыпки увеличивается на 0,3 – 0,5 м с каждой стороны. Применение грунтов различных видов в одном слое насыпи не допускается.
При глубинном уплотнении слабых грунтов грунтовыми сваями с поверхности уплотняемого основания погружается металлическая труба с раскрывающимся наконечником (происходит процесс уплотнения основания вокруг погружаемой трубы) [18]. После погружения трубы на необходимую отметку, наконечник трубы раскрывается, и труба извлекается с одновременным заполнением песком, который одновременно с этим может подлежать дополнительной трамбовке. Чем чаще сделаны сваи, тем большую степень уплотнения получает грунт основания. С целью недопущения выпора грунта в котлован при уплотнении головы сваи, котлован может разрабатываться после уплотнения основания сваями. Для связных водонасыщенных грунтов подобные сваи могут изготавливаться с использованием пневмопробойника и заполняться уплотняемой щебеночно-песчаной смесью с добавлением цемента.
С учетом технологических особенностей площадки строительства и характеристик грунтового массива выделяются следующие основные способы закрепления грунтов: путем инъекции цементного раствора в режиме пропитки, инъекции цементного раствора в режиме виброцементации, инъекции цементного раствора в режиме гидроразрыва; смешения цементного раствора с грунтом струйным способом, смешения цементного раствора с грунтом буросмесительным способом [55,56,65,67]. Виды, марки и качество цементов, а также составы инъекционных растворов и характеристики других материалов и химических добавок, применяемых для приготовления инъекционных растворов, устанавливаются проектом с учетом инженерно-геологических и гидрогеологических условий участка и требованиям, предъявляемым к конструкции из закрепленного грунта (прочность, долговечность).
Закрепление грунтов в режиме пропитки проводится, в основном, путем инъекцией растворов, приготовленных из высокодисперсных цементов для грунтов, характеризующимися коэффициентом фильтрации от 1 до 80 м/сут. Подбор рецептуры суспензии, его водоцементное отношение, химические или другие добавки производится в лаборатории в зависимости от гранулометрического состава и водопроницаемости закрепляемого грунта, назначения и требуемой в соответствии с проектом прочности закрепляемой грунтовой конструкции.
Закрепление путем инъекции цементного раствора в режиме виброцементации позволяет применять данный метод в грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,1 до 80 м/сут и любой степени влажности. Диаметр грунтоцементной колонны, образующейся при виброцементации, в зависимости от конструкции инъектора, составляет 0,3 – 0,8 м, а прочность камня в зависимости от расхода цемента достигает до 10 МПа и более.
Усиление грунтов основания при цементации инъекцией в режиме гидроразрыва проводится путем образования локально направленных гидроразрывов (вертикальных, горизонтальных, наклонных), заполняемых твердеющим раствором [29]. Данный метод рекомендуется применять в песчаных, суглинистых, глинистых, насыпных грунтах и лессах в целях уплотнения (армирования), оперативного компенсационного изменения напряженно-деформированного состояния грунтов основания сооружений, а также для выправления крена зданий и сооружений на плитных фундаментах.
Один из современных методов цементации – метод «Геокомпозит» [29,84] основан на управляемой инъекции в основание зданий и сооружений твердеющих цементных растворов по специальным объемно-планировочным схемам. Учитывая, что данный метод был использован для проведения контрольных исследований на экспериментальных участках в настоящей работе, остановимся на нем подробнее. Инъецирование цементного раствора производится при давлениях, значительно превышающих прочность грунтов. Вследствие этого, при таком инъецировании происходит гидроразрыв грунтового массива, при этом плоскости гидроразрыва заполняются цементным раствором, формирующим в грунте после схватывания и твердения жесткий каркас из цементного камня, а фрагменты грунтового массива, оказавшиеся между трещинами гидроразрыва, уплотняясь давлением, создаваемым инъецируемым раствором, приобретают новые, существенно улучшенные механические характеристики. Вокруг инъектора при твердении раствора формируется жесткий армирующий каркас. Морфологический облик армирующего каркаса из цементного камня напоминает корни дерева, стволом которого является труба инъектора. Радиус распространения жестких включений и их мощность определяются конкретными инженерно-геологическими условиями, а также параметрами инъецирования: величиной давления и объемами нагнетания. Распространяемый по трещинам гидроразрыва инъецируемый раствор действует как внутримассивный домкрат и уплотняет грунт, расположенный между включениями. Степень уплотнения и соответственно упрочнения исходного грунта зависит от его состояния и свойств, а также от технологических параметров нагнетания. В результате нагнетания формируется принципиально новый вид грунтового основания - природно-техногенный композит «Геокомпозит». По периметру здания выполняется вертикальный защитный экран. Создание экрана производится путем нагнетания в грунт через специальные инъекторы цементного раствора в заданном количестве. Инъекторы погружаются в предварительно пробуренные на всю глубину вертикального экрана скважины.
Контроль качества уплотнения насыпных песчаных грунтов по технологии послойной укатки катками в несколько проходок до заданного коэффициента уплотнения
На рисунке 21 представлен схематичный план экспериментального участка в г.Люберцы Московской области.
Исследования проводились с использованием установки статического зондирования ФУГРО. После проведения статического зондирования на всю мощность насыпных песков с шагом 0,5 м были выполнены штамповые испытания с использованием винтового штампа площадью S = 600 см2. Установка статического зондирования производства Голландии является современным высокоточным оборудованием, открывающим широкие возможности для исследований, которые не были доступны ранее. Так, на экспериментальном участке № 3 было выполнено зондирование с шагом регистрации 1 см, при этом лобовое сопротивление грунта под конусом зонда достигало qз = 55 МПа (см. рис.22 и 23).
Из приведенных графиков статического зондирования можно сделать вывод не только о плотности сложения насыпных песков, но и какими слоями по толщине они были отсыпаны. Оценить качество уплотнения каждого слоя с погрешностью в 1 см. Такой геотехнический контроль за подготовкой искусственного основания может позволить добиться самых качественных результатов уплотнения насыпных песков и не допустить развития неравномерных деформаций сооружения в будущем.
Для большей наглядности результаты статического зондирования были проинтерполированы и сведены в единый разрез с распределением показателей лобового сопротивления насыпного грунта под конусом зонда (см. рис.23). Анализ разреза показывает, что вся толща насыпных песков уплотнена до плотного состояния, однако с поверхности до глубины 1,5 м грунты менее плотные, чем в диапазоне глубин 1,5 – 5,5 м. Также следует отметить, что грунты естественно горизонта на глубине 5,5 м от уровня поверхности земли недоуплотнены, находятся в рыхлом состоянии, либо не полностью были выбраны иловые отложения. На основании чего можно сделать вывод, что отсыпка песка осуществлялась без предварительного уплотнения естественного основания. В процессе проведения исследований на это обстоятельство было указано строительной организации, осуществляющей отсыпку и уплотнение песка, после чего нижние слои иловых отложений выбирались более тщательней, а верхняя толща естественного основания перед отсыпкой песка также уплотнялась.
После обработки результатов статического зондирования были назначены пункты штамповых испытаний. Опыты проводились на характерных глубинах толщи насыпных грунтов, с целью охватить все слои насыпи, выделенные на основе анализа экстремальных значений лобового сопротивления под конусом зонда, полученные по данным статического зондирования. Основная цель данных исследований – оценить деформационные характеристики толщи насыпных грунтов и вывести экспериментальную зависимость пересчета результатов статического зондирования в модуль общей деформации, полученный по данным штамповых испытаний. Отметим, что штамповые испытания являются единственным прямым полевым методом по изучению деформационных характеристик грунтов [70,72]. На сегодняшний день существуют многочисленные эмпирические зависимости пересчета лобового сопротивления под конусом зонда в модуль общей деформации, но все они применимы только для грунтов естественного горизонта [58,69]. Полученные результаты исследований позволят для оценки деформационных свойств насыпных грунтов применять более дешевый метод статического зондирования по сравнению со штамповыми испытаниями. Хочется оговориться, что результаты этих исследований не могут распространяться на все насыпные песчаные грунты, ввиду их значительной разнородности. В нашем случае насыпные грунты представлены песками мелкими и средней крупности, практически без включений строительного мусора и бытовых отходов. Всего на экспериментальном участке было проведено более 20 испытаний насыпных грунтов штампом. По результатам сопоставления двух полевых методов построен график зависимости модуля общей деформации, полученный по данным шВ результате проведенных многочисленных опытов выведена экспериментальная зависимость модуля общей деформации Е [МПа] от лобового сопротивления под конусом зонда qз [МПа] для насыпных грунтов, представленных песками мелкими и средней крупности: Е = 1,6qз + 13,7, где Е – модуль общей деформации, определенный по данным штамповых испытаний [МПа]; qз - сопротивление грунта под конусом зонда, по данным статического зондирования.
Подставив в уравнение коэффициент пересчета условного динамического зондирования в показатель лобового сопротивления под конуса зонда статического зондирования, определенного на экспериментальных участках №№ 1 и 2, характеризующимися аналогичными насыпными грунтами, получим: Е = 2,72Рд + 13,7, где Е – модуль общей деформации, определенный по данным штамповых испытаний [МПа]; Рд – условное динамическое сопротивление, по данным динамического зондирования.
Экспериментально выведенные зависимости, позволяющие пересчитывать модуль общей деформации, опираясь на результаты статического и динамического зондирования в насыпных грунтах имеют широкое практическое и научное значение, позволяют оперативно, с использованием портативных методов, осуществлять не только контроль отсыпки и качества уплотнения насыпных грунтов, но и на качественном уровне оценивать модуль деформации этой толщи, как основной характеристики сжимаемости, используемой в дальнейших расчетах при проектировании.
Проведенные исследования на отсыпанном и уплотненном полигоне показали необходимость выполнить анализ изменения степени уплотнения песчаных грунтов по глубине в зависимости от количества проходок катками.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обеспечить укатку экспериментального полигона с заданным количеством проходок;
- выполнить статическое зондирование грунтов [41] по 2 точки глубиной до 1,0 м до укатки при насыпной плотности песчаного грунта, а также после каждого этапа проходки катка;
- выполнить отбор проб методом режущего кольца [35] с глубин 0,0 м, 0,25 м, 0,50 м, 0,75 м и 1,00 м. Отбор проб выполнялся до укатки при насыпной плотности песчаного грунта, а также после каждого этапа проходки катка;
- выполнить комплекс лабораторных исследований песчаных грунтов [34] с получением основных физических характеристик (плотность природная, плотность скелета, влажность, пористость, коэффициент пористости).
Определение степени уплотнения песчаных грунтов проводилось методом статического зондирования [41]. Этот метод включает измерение сопротивления грунта устойчивому и непрерывному проникновению конического пенетрометра, оснащенного внутренними датчиками.
Измеряемыми величинами являются глубина проникновения (пенетрации), сопротивление конуса, трение муфты.
Исследования грунтов методом статического зондирования проводились в двух точках, расположенных на расстоянии 3,0 м друг от друга после выполнения каждого цикла проходок вибрационного катка.
Контроль качества уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов при реализации различных технологий ускорения консолидации
Экспериментальный полигон в пределах Имеретинской низменности.
Непосредственно под почвенно растительным слоем в пределах территории Имеретинской низменности залегают лагунные отложения, представленные слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами мощностью 10 – 15 м. Слабые водонасыщенные глинистые грунты, по результатам проведенных исследований до освоения территории, характеризовались очень низкими показателями прочностных и деформационных свойств. Модуль деформации грунтов составлял Е = 1,3 МПа, угол внутреннего трения – 10, удельное сцепление – 17 кПа. Плотность грунта природного сложения составляла 1,49 г/см3, влажность – 87,8%, коэффициент пористости е=2,48, показатель текучести IL=0,86. Помимо низких деформационных показателей, наблюдалась также анизотропия, выраженная в увеличении значения модуля деформации в горизонтальном направлении, характерная для тонкослоистых ленточных глин. Коэффициент фильтрационной консолидации с «слабых» грунтов, как основного показателя скорости его осадки в процессе сжатия, составлял 0,000233 – 0,000478 см2/сек.
Для решения поставленной задачи по подбору методов контроля уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов в пределах экспериментального полигона были выбраны два метода, обеспечивающие ускорение консолидации слабых глинистых грунтов основания:
- вертикальные геосинтетические дрены:
- вертикальные песчаные прорези. При отрывке траншей и устройства вертикальных песчаных прорезей использовался цепной многоковшовый экскаватор ЭТЦ-2011 (рис.83), ранее широко применяющийся при прокладке подземных кабелей и других линейных коммуникаций.
Отрытые траншеи сразу же были засыпаны песком с использованием экскаватора и тракторного автопогрузчика. На опытном участке 50 х 50 м выполнены песчаные прорези (рис.84 и 85) глубиной 2,5 м с шагом 3,0 м. Ширина прорезей - 40 см. Прорези были засыпаны песком средней крупности с коэффициентом фильтрации 5 м/сут. Для установки пластиковых дрен была привлечена голландская организация, специализирующаяся на этом методе консолидации слабых грунтов. Установку дрен выполнял «аппарат-прокалыватель» (рис.86 и 87). Для установки дрены кончик катушки с дреной устанавливался на прокалыватель. С верхушки прокалывателя дрена по роликам опускалась до пробойника. На конце пробойника, на дрене, закреплялась якорная пластина. После этого пробойник устанавливался над точкой «прокола» грунта. Пробойник проникал на требуемую глубину, якорь вместе с дреной закреплялся в грунте.
На опытном участке 50 х 50 м выполнены вертикальные геосинтетические дрены по квадратной сетке с шагом 1,0 м и глубиной 5 м.
После реализации вышеуказанных мероприятий по ускорению консолидации слабого грунта и установки геотехнического оборудования экспериментальный участок засыпан песком средней крупности на высоту 2,0 м.
В рамках оценки качества уплотнения контролю подлежали практически все параметры, которые могут изменяться в процессе консолидации грунта, ежедневно снимались показания со стационарных геотехнических датчиков, один раз в неделю выполнялись полевые испытания грунтов, была организована стационарная геотехническая лаборатория по изучению физико-механических свойств.
Ежедневная регистрация температуры и давления воздуха (рис. 88 и 89) является важным элементом стационарных исследований. Помимо наблюдений за текущей метеообстановкой с привязкой данных к изменениям напряженно-деформированного состояния грунта, в расчетные формулы всех геотехнических параметров, регистрируемых при настоящих инструментальных исследованиях, вводились поправочные коэффициенты, зависящие от температуры и давления воздуха.
Характер изменения напряженного состояния массива до отсыпки и после отображен на рисунках 90 и 91.
Анализ напряженного состояния грунта, совместно с поровым давлением, показал следующее.
До выполнения пригруза бытовое давление грунта на глубине 1,0 м составляло 14,6 кПа, на глубине 2,0 м – 33,8 кПа, на глубине 3,0 м – 40,0 кПа, на глубине 4,0 м – 46,7 кПа.
Сразу после выполнения пригруза с давлением под его подошвой 36,0 кПа в пределах активной зоны сформировалось дополнительное давление, которое составило на глубине 1,0 м – 29,6 кПа, на глубине 2,0 м – 26,0 кПа, на глубине 3,0 м – 32,4 кПа, на глубине 4,0 м – 30,9 кПа.
При этом, поровое давление в водонасыщенном грунте увеличилось на глубине 1,0 м – на 5,9 кПа, на глубине 2,0 м – на 30,7 кПа, на глубине 3,0 м – на 29,0 кПа, на глубине 4,0 м – на 27,0 кПа. Здесь следует отметить, что верхний слой грунта до глубины 1,0 м был наиболее плотный и обезвоженный изначально, максимально водонасыщенные, заторфованные грунты приурочены как раз к верхней части разреза ниже глубины 1,0 м.
Анализ вышеизложенного показывает, что практически все дополнительное давление от выполненного пригруза восприняла поровая вода в водонасыщенном грунте, за исключением слоя в диапазоне 0,0 – 1,0 м. Дополнительное давление, оказываемое непосредственно на скелет слабого грунта (за вычетом порового давления), составило на глубине 1,0 м – 23,7 кПа, на глубине 2,0 м – 4,7 кПа, на глубине 3,0 м – 3,4 кПа, на глубине 4,0 м – 3,9 кПа.
Осадка поверхности, где были выполнены песчаные прорези (см. рис. 92), достигла максимального значения 16,5 см и через 30 дней практически полностью стабилизировалась. Максимальная интенсивность скорости осадки наблюдалась в течение первых десяти дней после выполнения пригруза (до 1,5 см/сут), далее характер скорости осадки резко затухающий.
Осадка поверхности, где были выполнены пластиковые дрены (см. рис. 92), на момент завершения опыта составила 23 см и через четыре месяца практически полностью стабилизировалась. Осадка проходила менее интенсивно, по сравнению с зоной выполнения песчаных прорезей, на графике условно можно выделить три диапазона по скорости ее развития – первые 10 – 15 дней с максимальной интенсивностью (до 0,7 - 1 см/сут), далее – с меньшей интенсивностью (в среднем 0,1 – 0,15 см/сут) и после трех месяцев носила еще более затухающий характер.
Следует еще раз подчеркнуть, что в настоящей работе глубина песчаных прорезей и геосинтетических дрен различна. Это было связано с ограничением глубины проходки траншей многоковшовым экскаватором. Поэтому максимальная осадка, зафиксированная при исследованиях, также различна. Основной акцент в работе ставился на механизм ее развития – скорость и характер затухания, текущее поровое давление в диапазоне работы вертикального дренажа, текущие и конечные свойства консолидируемых грунтов.
За все время выполнения наблюдений, после практически полной стабилизации, послойная осадка массива грунта составила в диапазоне глубин 0,0 – 1,0 м – 6,5 см, в диапазоне глубин 1,0 – 2,0 м – 2,0 см, в диапазоне глубин 2,0 – 3,0 м – 0,0 см, в диапазоне глубин 3,0 – 4,0 м – 3,5 см, в диапазоне глубин свыше 4,0 м – 6,5 см. При этом, за счет процессов консолидации, поровое давление (рис.93) в водонасыщенном грунте на глубине 1,0 м практически не изменилось, на глубине 2,0 м – уменьшилось на 11,9 кПа, на глубине 3,0 м – на 6,0 кПа, на глубине 4,0 м – на 7,0 кПа.
Существующие положения методики контроля качества, применительно к выбранным типам оснований
Методы контроля применительно к насыпным песчаным грунтам:
1. Гранулометрический состав песчаного грунта, предназначенного для устройства насыпей, необходимо подтверждать лабораторными исследованиями в объеме по указаниям проекта;
2. Содержание в песчаном грунте инородных включений (древесины, волокнистых материалов, гниющего или легкосжимаемого строительного мусора, растворимых солей, мерзлых комьев, снега, льда) необходимо определять в процессе визуального контроля;
3. Температура грунта, отсыпаемого и уплотняемого при отрицательной температуре воздуха должна определяться инструментально в процессе периодического контроля;
4. Средняя по проверяемому участку плотность сухого грунта планировочных и других уплотняемых насыпей должна быть определена инструментально в объеме, установленном проверяющей организацией;
5. Влажность грунта в теле насыпи, коэффициент водонасыщения при устройстве насыпи должны быть подтверждены лабораторными исследованиями;
6. Геометрические размеры насыпей должны быть подтверждены в процессе геодезического контроля.
7. Влажность уплотняемого грунта должна определяться в процессе лабораторных исследований, в объеме по указанию проекта;
8. Средняя по принимаемому участку плотность уплотненного грунта должна определяться методом режущего кольца в объеме, указанном в проекте, а при отсутствии указаний – один пункт на 300 м2 уплотненной площади с измерениями в пределах всей уплотненной толщи через 0,25 м по глубине при толщине уплотненного слоя до 1 м и через 0,5 м при большей толщине. Число отобранных проб в каждой точке должно быть не менее двух;
9. Средняя по принимаемому участку плотность сухого грунта при устройстве грунтовых подушек должна быть определена в процессе лабораторных исследований в объеме одного испытания на каждые 300 м2 площади подушки, но не менее трех измерений в каждом слое.
Методы контроля применительно к слабым водонасыщенным глинистым грунтам:
1. При возведении насыпей на слабых грунтах по согласованию с заказчиком и проектной организацией на характерных участках следует устанавливать поверхностные и глубинные марки для проведения наблюдений за деформациями насыпи и подстилающих ее грунтов природного сложения, а также уточнения фактических объемов работ.
2. Предпостроечное уплотнение оснований, сложенных слабыми грунтами, с применением вертикальных дрен производится в соответствии с рабочим проектом и ППР при постоянном контроле качества уплотнения.