Влияние грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждений котлованов в условиях городской застройки

В связи с развитием строительной техники и технологий, расширение городов и мегаполисов происходит как «вверх» (увеличение этажности зданий) так и «вниз» (активное использование подземного пространства). Строительство новых зданий и сооружений, освоение подземного пространства в условиях городской, исторически сложившейся-застройки ряда городов России, в частности Санкт-Петербурга, является сложной задачей, поскольку с поверхности и до глубины порядка 20−40 м залегают слабые сильносжимаемые пылевато-глинистые грунты. Особенностью указанных грунтов является проявление их тиксотропных свойств при техногенных воздействиях. При вибрационном воздействии грунты переходят в текучее состояние (расструктуривание грунтов) и приобретают свойства вязкой жидкости. Значения угла внутреннего трения и сцепления таких грунтов становятся близки к нулю, что ведет за собой увеличение активного давления на ограждение котлована практически в два раза. Такой вывод следует из известной формулы активного давления: <7a=y•h^tg2(450-(p/2). При значении угла внутреннего трения равного 20.25°, значение активного давления равно (та — (0,4.0,5) -ук, а при ср=0 — (та -1,0 • у • к.

Из практического опыта установлено, что зона влияния нового строительства на здания соседней застройки составляет 30 м и более. Поэтому одним из требований к ограждениям котлованов должно быть ограничение горизонтальных перемещений, так как дополнительные осадки зданий соседней застройки во многом зависят от горизонтальных деформаций ограждений котлованов.

В последние годы в крупных городах, в частности в Санкт-Петербурге, строятся здания с развитым подземным пространством, что требует устройства котлованов большой глубины и объёмов. Ограждение таких котлованов может быть выполнено (на основе технико-экономического расчёта) с использованием различных конструкций и технологий, в том числе, ранее мало применяемых.

К таким ограждениям относятся и конструкции, выполненные из грунтоцемента по технологии струйной цементации. Учёт работы таких конструкций при вскрытии котлована, в том числе, в случае необходимости увеличения жёсткости уже существующих ограждений из металлического шпунта, учёт воздействия струйной технологии на окружающий массив грунта и подземную часть сооружения в целом, являются актуальной и малоисследованной задачей проектирования подземных сооружений.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертации является оценка влияния грунтоцементных конструкций, выполненных по технологии струйной цементации, на деформируемость ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтовразработка рекомендаций по проектированию грунтоцементных ограждающих конструкций глубоких котлованов в условиях городской застройки и слабых грунтов.

Методика исследований включала в себя:

• анализ литературных источников по устройству ограждений котлованов с применения технологии струйной цементации;

• оценку влияния параметров грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения котлована с применением численных методов;

• численное моделирование напряжённо-деформированного состояния ограждения котлована в условиях городской застройки (на примере реального объекта строительства в г. Санкт-Петербург);

• проведение натурных экспериментов по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта и по определению механических характеристик грунтоцемента на площадке строительства;

• анализ данных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения на экспериментальной площадке;

• сопоставление результатов проведённых экспериментов с результатами численного моделирования.

Научная новизна работы:

1) теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций;

2) на основе экспериментальных данных определена зона влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве вертикальных грунтоцементных элементов;

3) по результатам статистической обработки испытаний грунтоцементных образцов получены зависимости для оценки расчётных механических характеристик грунтоцемента;

4) натурными экспериментами подтверждена эффективность применения грунтоцементных конструкций при устройстве ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов.

Практическая значимость работы и внедрение результатов работы заключается в разработке принципов проектирования ограждений комбинированного типа, выполненных с применением грунтоцементных конструкций, при устройстве глубоких котлованов в условиях городской застройки. Это позволило в оперативном режиме увеличить жёсткость уже готового шпунтового ограждения при устройстве котлована большого объёма, что позволило обеспечить сохранность зданий окружающей застройки.

Результаты работы внедрены в учебный процесс и получили частичное отражение в учебном пособии для студентов строительных вузов «Методы подготовки и устройства искусственных оснований».

На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования работы ограждения котлована с использованием грунтоцементных конструкций.

2. Результаты натурного эксперимента по исследованию влияния струйной технологии на окружающий массив грунта.

3. Результаты статистической обработки непосредственных испытаний грунтоцемента на одноосное сжатие.

4. Сравнительный анализ результатов численного моделирования работы ограждения и результатов натурных наблюдений.

Апробация работы: основные положения работы докладывались и обсуждались на 62-й, 63-й, 64-й международных научно-технических конференциях молодых учёных (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (СПб, 2009;2011) — на I Международном конгрессе «Актуальные проблемы современного строительства» (СПб, 2012) — на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и докторантов «Актуальные проблемы науки о земле» (СПб, 2012).

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твёрдого и деформируемого тела, математической статистикиобеспечивается достаточным объёмом экспериментальных исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных и оборудовании, а также внедрением результатов работы на реальном объекте.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и трёх приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц машинописного текста, 52 рисунка, 10 таблиц.

3.5 Выводы по главе.

1, При устройстве грунтоцементных свай в условиях слабых пылеватоглинистых грунтов механические и деформационные характеристики окружающего массива грунта увеличиваются на 25−30% по сравнению с исходными характеристиками, причём изменение наблюдается на расстоянии 3,3 м от грани грунтоцементных свай, что в относительных величинах составляет 2,5.3,0*0, где О — толщина грунтоцементной конструкции. Наибольшее увеличение характеристик наблюдается для озёрно-ледниковых легких пылеватых суглинков (ИГЭ-6) (рисунок 3.35).

2. По результатам статистической обработки результатов испытаний образцов грунтоцемента определены значения прочности для расчётов по первой и второй группам предельных состояний, а также получены зависимости по определению прочностных и деформационных характеристик грунтоцемента в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов. редее удельное сопротивление I рунта под наконечником (конусом) зонда <|С, МНа.

0 12 3 4 5 6 7 0.

1 2 3 4 5 6 7.

8 9.

11 г 12 13 <8.

I. 14 15 16.

20 21 22.

Среде" удельное сопротивление ¦ рунта по муфте трения зонда 14, кПа.

О 10 20 30 40 50 60 70 80.

0 1 2 3 4 5 6 7.

8 9.

10 1 1 й 1 I 1 1.

20 21 22.

26 / / тп.

Наименование грунтов.

Насыной грунт (ИГЭ-П.

Пески пылеватые, водонасьцценные, ср. плотности (ИГЭ-2).

Суглинки пылеватые текучие (ИГЭ-3) '.

Суглинки пылеватые ленточные текучие (ИГЭ-4).

Супеси пылеватые пластичные (ИГЭ-5).

Суглинки легкие пылеватые тугошхастичные (ИГЭ-6).

Суглинки легкие пылеватые полутвердые (ИГЭ-7) а) б) в).

Рисунок 3.35. Сравнительные графики параметров зондирования исходных значений и значений, полученных для опытных площадок: а — удельное сопротивление под конусом, б — удельное сопротивление по муфте трения;

1 — исходные значения, 2 — значения, полученные на площадке № 1- 3 — значения, полученные на площадке.

2- 4 — значения, полученные на площадке № 3.

3. По результатам инклинометрических наблюдений за ограждением котлована получены значения горизонтальных перемещений после устройства грунтоцементных конструкций и общая картина деформированного состояния шпунтового ограждения. За период откопки котлована до проектной глубины 12,0 дополнительные максимальные горизонтальные перемещения ограждения не превысили расчётных значений (рисунок 3.36).

Перемещение, мм.

10 20 30 40 50 60.

Рисунок 3.36. Сравнительный график расчётных и экспериментальных величин горизонтальных перемещений ограждения котлована: 1 — расчет с учётом характеристик грунтоцемента- 2 — расчёт по методу условной балки (без учёта характеристик грунтоцемента) — 3 — ИК № 5- 4 — ИК № 7- 5 — ИК № 15.

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ И.

ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ГЛУБОКИХ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ СЛАБЫХ ГРУНТОВ.

4.1 Общие положения.

При разработке глубоких котлованов в условиях слабых пылеватоглинистых грунтов и городской застройки существует опасность расструктуривания грунтов основания, что в свою очередь может повлечь развитие значительных горизонтальных перемещений ограждения и вертикальных деформаций фундаментов зданий соседней застройки. В этом случае необходимо применять конструкции ограждения котлована с высокими жесткостными характеристиками.

Для глубоких котлованов, располагающихся вблизи существующих зданий, рекомендуется применять ограждение комбинированного типа: по периметру котлована выполняется шпунтовое ограждение, с внешней его стороны устраивается сплошная стена в грунте из пересекающихся грунтоцементных свай, крайний ряд которых армируется несущими элементами (прокатные профилидвутавры, швеллеры, трубы). Верх шпунта и армирующих элементов объединяется железобетонной балкой.

Область применения ограждений комбинированного типа: • оперативное снижение деформативности шпунтового ограждения в условиях плотной городской застройки;

• устройство ограждений в условиях городской застройки в случае, когда устройство аналогичных ограждений (железобетонной стены в грунте) технически невозможно;

• устройство ограждений с превентивным закреплением слабых грунтов.

Совместно с ограждением комбинированного типа рекомендуется применять горизонтальные грунтоцементные конструкции (диафрагмы) ниже дна котлована, устраиваемые до его откопки с помощью технологии струйной цементации.

Область применения горизонтальных грунтоцементных диафрагм:

• устройство горизонтальных противофильтрационных завес ниже дна котлована;

• устройство распорной диафрагмы ниже дна котлована для снижения перемещений ограждения;

• закрепления грунтов в основании фундаментной плиты сооружений с заглубленной подземной частью.

При проектировании конструкций, устраиваемых с помощью технологии струйной цементации, рекомендуется различать типы получаемых материалов в зависимости от инженерно-геологических условий.

Груитоцемент — искусственный материал, получаемый путём перемешивания цементного раствора с песками (от пылеватых до среднезернистых) или пылевато-глинистыми грунтами.

Грунтобетон — искусственный материал, получаемый путём перемешивания цементного раствора с крупнозернистыми песками и крупнообломочными грунтами (гравийно-галечниковыми).

Илоцемент — искусственный материал, получаемый путём перемешивания цементного раствора с илистыми или торфяными грунтами.

4.2 Конструктивные решения ограждающих грунтоцементных конструкций.

Ограждающие конструкции комбинированного типа с применением струйной цементации образуются следующим образом:

• С внешней стороны уже погруженного шпунтового ограждения изготавливаются грунтоцементные пересекающиеся сваи;

• Внешний ряд свай армируется несущими элементами (прокатными профилями — двутавровыми балками, швеллерами, стальными трубами);

• По верху армирующие элементы и шпунт объединяются железобетонной балкой.

Толщина грунтоцементной конструкции назначается исходя из проверочных расчётов, при этом рекомендуемая минимальная толщина конструкции составляет 2 ряда свай (рис. 4.1).

Шпунт, а а, а а, а а, а у • гцс.

Армирующий элемент.

Рисунок 4.1. Конструктивное решение сечения ограждающей грунтоцементной конструкции комбинированного типа: ГЦС — грунтоцементные сваиВ — условная толщинаЬ — шаг рядов ГЦСа — шаг свай в ряду и шаг армирующих элементов.

Грунтоцементные сваи в плане, как правило, располагаются по треугольной сетке с таким расчётом, чтобы обеспечить сплошность всей конструкции. При назначении величины перекрытия свай необходимо также учитывать возможное отклонение струйного монитора от вертикали при производстве работ.

Вертикальный разрез ограждения комбинированного типа представлен на рис. 4.2. Величина к на рисунке является аналогом защитного слоя. При устройстве грунтоцементных конструкций отметка пяты свай может варьироваться, поэтому при проектировании необходимо учитывать это обстоятельство. Рекомендуемая величина защитного слоя составляет 1,5.2,0 м.

Ж-б.

Рисунок 4.2. Конструктивное решение ограждающей грунтоцементной конструкции комбинированного типа: ГЦС — грунтоцементные сваиВ — условная толщинаЬшаг рядов ГЦСа — шаг свай в ряду и шаг армирующих элементов.

4.3 Методика назначения характеристик грунтоцемента и окружающего массива грунта.

При проектировании грунтоцементных конструкций в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов значения прочности на сжатие рекомендуется назначать исходя из предложенных зависимостей и графиков.

Р7=1-(0,02.ДОЗ) (4.1).

Рп=- (0,03. Д 05) • КЩ (4.2).

В случае если грунтоцементные конструкции используются для увеличения несущей способности, то проектное значение прочности подбирается исходя из значения доверительной вероятности, соответствующей первой группе предельных состояний (Р=0,95.0,98). Например, при расчёте по первой группе предельных состояний вероятность получения проектного значения прочности К=3,5 МПа составляет Р=0,93, что не удовлетворяет нормам строительного проектирования.

Модуль деформации грунтоцемента рекомендуется назначать исходя из зависимости:

Е = (90.Ш)-Ксж (4.3).

Окончательные значения механических и деформационных характеристик грунтоцемента необходимо назначать только после проведения опытных работ на строительной площадке.

При расчётах также рекомендуется учитывать увеличение характеристик окружающего массива грунта. Значения их модуля деформации и удельного сцепления можно повышать на 20−30% по сравнению с исходными значениями. Максимальная зона увеличения характеристик грунтов составляет порядка 2. 2,50, где Б — диаметр или толщина грунтоцементной конструкции.

Увеличение механических характеристик происходит за счёт явления «клакажа», т. е. инъекции части цементного раствора в окружающий грунт при кратковременной закупорке рабочей скважины при устройстве грунтоцементной конструкции. Данный факт следует также учитывать при подсчёте объёмов работ, особенно при устройстве грунтоцементных диафрагм ниже дна котлована.

Значения удельного веса грунтоцемента рекомендуется принимать равным 17,5. 19,0 кН/м для слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов.

4.4 Особенности расчёта ограждающих грунтоцементных конструкций в условиях слабых грунтов.

Расчёт ограждений комбинированного типа рекомендуется производить методами численного моделирования по следующим схемам:

1. Расчётная схема в виде условной балки. Сечение ограждения рассматривается как условная балка, ширина которой определяется как расстояние между осями несущих элементов. Грунтоцемент рассматривается как матрица, которая обеспечивает позиционирование «арматуры» в сечении балки. Геометрические параметры армирующих элементов рекомендуется назначать равными характеристикам шпунта (на 1 пог. м.) для того, чтобы нейтральная ось условной балки проходила по центру балки. В случае, если геометрические характеристики армирующих элементов принимаются отличными от шпунта, то положение нейтральной оси и геометрические характеристики всей балки определяются стандартными методами сопротивления материалов.

2. Расчётная схема с учётом характеристик грунтоцемента. Расчёт по такой схеме следует производить при наличии данных о механических и деформационных характеристиках грунтоцемента, полученных опытным путём. В таком случае всё ограждение моделируется двумя элементами типа «плита» с приведёнными геометрическими характеристиками, пространство между ними «заполняется» материалом с условными характеристиками грунтоцемента (Всж, Е).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе результатов численного моделирования установлено, что применение грунтоцементных конструкций в составе существующего ограждения позволяет увеличить жёсткость ограждения и снизить горизонтальные перемещения ограждения в 2−3 раза по сравнению со шпунтовым ограждением.

2. В случаях, когда характеристики грунтоцемента неизвестны, расчёт ограждений комбинированного типа возможно производить без учёта механических характеристик грунтоцемента, т. е. грунтоцемент можно рассматривать как матрицу, которая обеспечивает позиционирование несущих элементов (шпунта и армирующих элементов) в теле условной балки.

3. На основе проведённых полевых экспериментов установлено, что при устройстве грунтоцементных конструкций с применением технологии струйной цементации в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов механические и деформационные характеристики окружающего массива грунта увеличиваются на 25−30% по сравнению с исходными характеристиками. Повышение характеристик грунтов происходит за счёт эффекта «клакажа» — инъекции части раствора в окружающий массив при кратковременной закупорке скважины изливающейся пульпой. Изменение характеристик наблюдается на расстоянии 2.2,5Б (Бтолщина конструкции) от грани ограждения, что рекомендуется учитывать в расчётах.

4. По результатам статистической обработки лабораторных испытаний образцов грунтоцемента определены значения прочности на сжатие для расчётов по первой и второй группам предельных состояний, а также зависимость модуля деформации грунтоцемента от его прочности на сжатие. Указанные значения и зависимости получены для песков пылеватых, супесей пластичных и суглинков текучих, характерных для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга.

5. Установлено, что в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов прочность на сжатие грунтоцемента не зависит от вида грунта, что обусловлено выносом большей части агрегатов грунта на поверхность грунтоцементной пульпой. Значения прочности грунтоцемента практически равны прочности цементного камня при соответствующем водоцементном отношении. Отсюда следует вывод, что в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов возможно получение прогнозируемых прочностных показателей грунтоцемента, равных прочности цементного камня, однако для эффективности работы грунтоцементных конструкций в целом необходимо обеспечить сплошность тела конструкций (т.е. обеспечить заданный диаметр свай).

6. Сопоставление результатов численного моделирования и экспериментальных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения котлована показало, что максимальные горизонтальные перемещения ограждения при откопке грунта до отметки дна котлована (глубиной 12,0 м) не превысили расчётных значений, полученных без учёта характеристик грунтоцемента.

7. Предложенные рекомендации по расчёту и применению ограждений комбинированного типа показали эффективность при использовании на конкретном объекте строительства в Санкт-Петербурге.