Оптимизация параметров упрочненных массивов в основаниях, сложенных структурно-неустойчивыми грунтами

Необходимость вывода земель, пригодных для сельскохозяйственного производства, из сферы строительной индустрии вынуждает строителей осваивать участки со сложными грунтовыми условиями, в частности, с грунтами с неустойчивой структурой. К этой категории относятся сильносжимае-мые грунты (илы, торфы, насыпные грунты, ленточные озерно-ледниковые глины), просадочные, а также набухающие, мерзлые и вечномерзлые грунты в процессе оттаивания, пучинистые грунты, т. е. грунты, обладающие способностью изменять свои свойства под влиянием внешних факторов (статические и динамические нагрузки, водонасыщение или изменение степени влажности, изменение температурного режима и пр.) вследствие значительных структурных нарушений.

В большинстве случаев основания, сложенные подобными грунтами, не могут эксплуатироваться без определенного преобразования, предварительного улучшения их свойств, для чего используются различные методы:

• удаление и замена всего (или большей части) «слабого» грунта;

• устройство распределительных подушек (чаще всего песчаных) большей, чем естественные грунты жесткости и прочности;

• прорезка и передача нагрузки на нижележащие более прочные грунты;

• армирование слабого грунта различными конструкционными материалами и технологическими способами (сваями-дренами, создание геомассива и пр.);

• уплотнение (пригрузка, трамбование, взрывы и т. п.) грунтов основания;

• термические способы укрепления грунтовых массивов (обжиг, замораживание);

• химическое закрепление структурно-неустойчивых грунтов оснований.

Таким образом, при проектировании сооружений на структурно-неустойчивых грунтах возникает необходимость выбора способа улучшения их строительных свойств, а затем в рамках выбранного варианта разработка проекта, т. е. определение конфигурации и размеров, необходимых деформационно-прочностных характеристик упрочняемой области основания, что в свою очерёдь определяет длину, шаг и количество армирующих элементовмощность и частоту располож ния охлаждающих (или нагревающих) установокконцентрацию, распределение и расход крепящих реагентов и т. п., исходя из требований расчета основания по 1-му и Н-му предельным состояниям. Наряду с обоснованными конструктивными решениями в проекте должны рассматриваться в совокупности вопросы технологии, производства работ, экономики и пр.

В данной работе предлагается решение изложенной задачи при определении параметров химически упрочненных и замораживаемых грунтовых массивов в: а) основаниях, сложенных просадочными грунтамиб) в вечно-мерзлых основаниях, включающих зоны ослабленных грунтов. Рассматриваемые грунтовые условия являются наиболее сложными по своим строительным свойствам, разнообразию используемых технологий для их улучшения, и, по существу, разрабатываемые в диссертации подходы и методы определения параметров закрепленных массивов в данных случаях могут использоваться и для других грунтовых условий и технологий их упрочнения.

Одним из эффективных способов улучшения строительных свойств лессовых грунтов является способ силикатизации, разработанный еще в 30 -40-е годы советскими учеными Б. А. Ржаницыным, В. В. Аскалоновым и др. и широко применяемый в настоящее время. При этом методе в закрепляемые грунты под давлением нагнетается раствор силиката натрия с добавлением в него химических компонентов, играющих роль отвердителей.

Важным преимуществом этого способа является высокая прочность создаваемого массива грунта, а также возможность применения его при устранении аварийных ситуаций и в ходе реконструкции сооружений без прекращения их эксплуатации. Существенным недостатком силикатизации и других способов химического закрепления грунтов является их высокая стоимость. В практике строительства обычно используют частичное или сплошное равномерное закрепление оснований под строящимися или существующими объектами до отметки УПВ (уровня подземных вод), а интенсивность закрепления в пределах мелиорируемой области является постоянной. Часто это приводит к излишнему расходу дорогостоящего и экологически небезопасного силиката натрия.

Существующая технология силикатизирования просадочных грунтов позволяет закрепленному массиву придавать различные конфигурации и размеры в плане и по глубине, что достигается изменением расположения, числа и глубины инъекционных скважин. Изменяя расход силиката натрия в различных точках массива, можно получить неравномерно закрепленный массив с различной интенсивностью закрепления в разных точках. Таким образом, варьируя геометрическими параметрами закрепленного грунтового массива и интенсивностью закрепления в разных точках массива, можно получить оптимальную конструкцию силикатизированного основания, удовлетворяющую работе основания по 1-му и И-му предельным состояниям, и одновременно соответствующую минимальному расходу дорогостоящего крепящего вещества — силиката натрия.

Исследованиями физико-механических свойств мерзлых и оттаивающих грунтов, анализом протекающих в них криогенных процессов в нашей стране занимались С. С. Вялов, Н. А. Цытович, С. Э. Городецкий, Ю. К. Зарецкий, С. Б. Ухов, А. В. Садовский, Л. Н. Хрусталев, А. И. Колесов и др.

Мерзлые и вечномерзлые грунты вследствие наличия в них льдистоцементных связей при сохранении отрицательной температуры фунтов являются достаточно прочными и устойчивыми образованиями. Однако при оттаивании порового льда структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются, что приводит к значительным деформациям.

Кроме того, опыт строительства и эксплуатации сооружений в северных районах показывает, что протекающие в грунтах мерзлотные процессы приводят к образованию слабых зон в основаниях (термокарсты, криопэги, талики, бугры пучения, наледи и пр.), отрицательно влияющих на работу фундаментных конструкций и сооружений в целом, а так же нарушающих экологическое равновесие не только на застраиваемой территории, но и всего прилегающего региона.

Одним из способов предотвращения недопустимых осадок сооружений, а также сохранения природного экологического состояния вечномерзлых оснований, является локализация механического воздействия зданий и сооружений в верхнем слое грунтового основания путем использования его в качестве несущего элемента — грунтовой мерзлой плиты (оболочки), которая воспринимает внешние нагрузки, передаваемые фундаментами. Грунты несущей конструкции должны находиться в твердомерзлом состоянии и иметь температуру, обеспечивающую прочностные и деформационные качества грунтов, требуемые для восприятия внешних нагрузок.

Мерзлая грунтовая несущая конструкция устраивается с помощью се-зонно-действующих охлаждающих устройств (термосвай), вентилируемых подполий или каналов в течение всего эксплуатационного периода.

Технические решения и разрабатываемые на их основе механические модели вечномерзлых оснований, включающих зоны слабых грунтов, имеют ряд параметров, допускающих взаимные вариации в определенных наперед заданных пределах: температурные, геометрические и механические (прочностные и деформационные) характеристики мерзлой грунтовой конструкции, геометрические размеры слабой фильтрующей зоны грунтов и др., — что также, как и в случае химического закрепления лессовых грунтов, является основой для поиска наилучшего с определенной точки зрения (по стоимости, трудозатратам, времени строительства или деформационно-прочностным показателям) варианта конструкции основания.

Если рассматривать эту проблему с позиций многовариантного проектирования, то потребовалось бы рассмотрение и сравнение очень большого числа вариантов проекта с целью выбора наилучшего из них по указанному критерию. Даже при использовании ЭВМ такая задача становится трудно разрешимой, а найденное таким образом решение далеким от действительно оптимального. Для реализации задач такого круга наиболее целесообразным представляется использование аппарата прикладной теории оптимального проектирования, развивающейся на базе общей теории оптимального управления. Методы теории оптимального проектирования позволяют осуществить выбор наилучшего варианта без непосредственной проверки всех возможных вариантов.

Поскольку количество варьируемых параметров (т.е. размерность инженерных задач), как правило, достаточно велико (например, глубина и ширина упрочнения, расход крепителя или интенсивность промораживания в различных точках массива грунта, и, как следствие, изменение деформационных характеристик основания), а расчеты в соответствии с алгоритмами оптимизации требуют значительных затрат времени, оптимизационные методы ориентированы, главным образом, на реализацию с помощью ЭВМ.

Кроме того, основание, сложенное слабыми грунтами, имеющими включение из упрочненного грунта, да еще различной интенсивности закрепления в разных точках массива, представляет собой кусочно-неоднородную область. Расчет такого основания по предельным состояниям также требует привлечения численных методов расчета и использования ЭВМ.

В строительной механике методы оптимизации широко применялись, в основном, при проектировании наземных строительных конструкцийстержней, оболочек, пластинок, стержневых конструкций и массивных тел, работающих в пределах и за пределами упругости (В.Д.Райзер, С. Н. Медведев, К. Мажид, А. А. Чирас, А. П. Дзюба, Ю. М. Почтман, Л. В. Петрухин, В. Е. Киселев и др.).

В области фундаментостроения имеется ряд работ (С.Ф.Слюсаренко, В. А. Корольков, Р. И. Фурунджиев, П В. Алявдин, Е.С.Максименко), посвященных созданию оптимальных конструкций ленточных и свайных фундаментов и фундаментов под отдельно стоящие колонны, выбору оптимального способа возведения фундаментов.

Методы математической оптимизации с успехом применяются и при решении ряда задач механики грунтов (А.Г.Дорфман, А. Л. Колесниченко, Ю.М.Почтман).

ЦЕЛЬЮ настоящего исследования является разработка методики определения оптимальных параметров (физических, геометрических, экономических) искусственно преобразованных оснований на примере закрепленных массивов просадочных грунтов и создания твердомерзлой конструкции в оттаивающих грунтах при удовлетворении требований расчета оснований по 11-му предельному состоянию, что позволит более обоснованно назначать размеры и форму упрочняемых массивов и более экономно расходовать крепящие реагенты и энергию промораживающих установок.

Для достижения поставленной задачи в работе используются методы теории оптимального управления, позволяющие получить решение без непосредственного перебора множества вариантов проекта основания, имеющего включение из упрочненного грунта. При этом необходимо было:

1. Осуществить математическую постановку задачи оптимизации параметров закрепления грунтового массива в основаниях, сложенных структурно-неустойчивыми грунтами. Сформировать выражения для критерия оптимальности и системы ограничений и конкретизировать полученные зависимости применительно к оптимизации силикатизированных массивов в просадочных грунтах и ледогрунтовой конструкции в вечномерзлых основаниях, включающих зоны оттаявших грунтов.

2. Разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния упрочняемого основания, учитывающую специфические свойства структурно-неустойчивых грунтов при действии внешних факторов (нагрузка, увлажнение, изменение температуры и пр.). основания от технологических параметров упрочнения структурно-неустойчивых грунтов.

4. Оценить влияние различных факторов (величину подъема УПВ, деформационно-прочностные свойства грунтов в природном состоянии, размеры «слабых» зон основания, исходные температуры грунтов и пр.) на оптимальные параметры конструкции из упрочненного грунта и экономичность того или иного варианта улучшения основания.

5. Реализовать предложенную методику при проектировании конкретных строительных объектов.

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в большом объеме работ, связанных с технической мелиорацией структурно-неустойчивых грунтов и отсутствием методики, позволяющей обоснованно назначать параметры преобразованной (в том числе, силикатизированной или замораживаемой) области основания.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю академику РААСН, доктору технических наук, профессору В. А. Ильичеву за ценные советы и оказанную помощь при проведении исследований.

Автор также выражает благодарность сотруднику НИИОСП кандидату технических наук Н. Б. Кутвицкой и коллективу лаборатории механики грунтов (заведующий — кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Г.Федоровский) за помощь и поддержку при проведении работ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведенный обзор способов строительства показал, что основания, сложенные структурно-неустойчивыми грунтами, не могут эксплуатироваться без предварительного улучшения их строительных свойств. При разработке проекта усиления оснований параметры упрочняемых массивов грунта (конфигурация, геометрические размеры, количество и распределение химических крепящих реагентов, количество охлаждающих установок и пр.) назначаются, как правило, на основе инженерного опыта, что зачастую приводит к излишним расходам материальных, энергетических, трудовых и др. ресурсов.

2. Разработан метод определения параметров упрочняемых грунтовых массивов с использованием теории оптимизации, который позволяет проектировать основания, отвечающие необходимым эксплуатационным требованиям при минимальных затратах на их создание.

Метод применен при расчете оптимальных параметров силикатизиро-ванных массивов в просадочных грунтах в условиях подъема уровня подземных вод и ледогрунтовой конструкции в вечномерзлых основаниях, имеющих зоны оттаявших грунтов.

3. В качестве критерия оптимальности (целевой функции), минимизация которого производится в процессе поиска оптимального решения, используется натуральный показатель — общий расход жидкого стекла на создание силикатизированного массива и количество энергии, затрачиваемое на замораживание грунтовой плиты.

Решающим ограничением на область варьируемых параметров является удовлетворение нормативных требований расчета упрочняемого основания по II группе предельных состояний (по деформациям).

Поиск минимума критерия оптимальности (целевой функции) осуществляется методом деформируемого многогранника Нелдера-Мида в сочетании с методом штрафных функций, что позволяет представить задачу условной оптимизации как задачу безусловной оптимизации.

4. При расчете напряженно-деформированного состояния силикатизированного просадочного основания разработан алгоритм, использующий модель грунта в виде изотропной линейно-деформируемой среды (в условиях плоского деформирования), учитывающий изменение УПВ и связанное с ним изменение НДС в грунтовом массиве на основе экспериментальных зависимостей величины относительной просадочности от напряжения (р). Расчет осуществляется методом конечных элементов.

Сравнительный анализ показал, что осадки фундаментов, полученные предложенным методом, хорошо согласуются со значениями осадок, рассчитанными по методике СНиП, сертифицированному программному пакету SCAD, а также с экспериментальными данными.

5. Разработанный метод оптимизации параметров закрепления (ОПЗ) упрочняемых массивов с использованием линейной зависимости деформационных характеристик закрепленного массива от удельного расхода силиката натрия (q) позволяет получить оптимальные геометрические размеры прямоугольной упрочняемой области основания и оптимальное значение q, постоянное на весь закрепляемый массив.

При проектировании основания с неравномерной интенсивностью закрепления произвольной формы получено оптимальное распределение силиката натрия различной концентрации (q) по объему закрепления. На основе данного расчета предложена технологичная квазиоптимальная конструкция силикатизированного массива в виде плиты непосредственно под фундаментами, опирающейся на столбы из закрепленного грунта в пространстве между фундаментамиконцентрация раствора силиката натрия — q = const.

6. Проведенный сравнительный анализ различных вариантов оптимальных конструкций упрочненных грунтовых массивов показал, что наиболее экономичной, с точки зрения расхода материала, является конструкция, в которой концентрация раствора силиката натрия варьируется в разных точках массива. Общий расход силиката натрия Q в данном случае в несколько раз ниже традиционного проектного значения.

Наименьший экономический эффект был получен при оптимизации прямоугольной формы (q = const) закрепленной области основания, где общий расход химических реагентов Q тем не менее оказался ~ в 2 раза меньше проектного при одних и тех же значениях осадок фундаментов.

7. Разработанный метод ОПЗ позволяет определить оптимальные размеры и температуру ледогрунтовой прямоугольной конструкции, перекрывающей зону талых грунтов в основаниях, сложенных мерзлыми грунтами, при минимальных затратах энергии (I на изготовление плиты замораживаемого грунта.

Изменение деформационных характеристик мерзлых грунтов в зависимости от температуры описывается экспоненциальной кривой. Коэффициенты кривой получены в результате аппроксимации экспериментальных данных, приведенных в литературе, методом наименьших квадратов с помощью программного пакета Ма&САЭ.

8. В результате сравнений различных вариантов расчетов выявлено, что оптимальная ширина замораживаемого массива является величиной практически постоянной и определяется габаритами сооружения. Оптимальная толщина и величина понижения температуры грунтов зависят от размеров и деформационно-прочностных свойств области талых грунтов. Так, при локальном расположении талика в основании с увеличением с уменьшением его поперечного размера и повышением деформационных свойств «слабых грунтов» уменьшается толщина и повышается температура ледогрунтовой плиты (т.е. уменьшается жесткость плиты). При значительном распространении талых грунтов в основании сооружений также с ростом их модуля деформации толщина ледогрунтовой плиты уменьшается, а жесткость увеличивается (т.е. понижается температура) и тем значительнее, чем обширнее область талых грунтов.

9. Проведенный расчетный анализ показал, что на снижение затрат энергии (т.е. уменьшение целевой функции) в большей степени влияют габариты ледогрунтовой плиты (и в первую очередь, толщина Япл) и в меньшейвеличина понижения температуры Д/.

10. Результаты выполненных исследований и разработанные программы ОРТ1М и ОРИМ-РЯ были использованы Фирмой Балтий и институтом Фундаментпроект при проектировании реальных сооружений.