Аббуд Мухаммед. Геотехническое обоснование стабилизации осадок фундаментов с помощью инъекционного закрепления грунтов

Краткое описание

Аббуд Мухаммед. Геотехническое обоснование стабилизации осадок фундаментов с помощью инъекционного закрепления грунтов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.23.02 : Санкт-Петербург, 2000 163 c. РГБ ОД, 61:01-5/1993-4

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО¬- СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
АББУД МУХАММЕД
ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ОСАДОК ФУНДАМЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ
Р5 ДЗ 02. - Основания и фундаменты
Диссертаций

на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Сахаров И.И.
Санкт-Петербург
2000 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Стр. 4
Глава I. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ОСАДОК ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ДЕФОРМАЦИЯХ ОСНОВАНИЙ
1.1. Причины и параметры развития деформаций основания Стр. 8
1.2. Методы переустройства и усиления оснований и фундаментов. Стр. 16
1.3. Стабилизация грунта с помощью инъекционного закрепления. .Стр. 24
1.4. Выводы и направление исследований Стр. 31
Глава 2. ИНЪЕКЦИЯ В РЕЖИМЕ ПРОПИТКИ
2.1. Общие соображения Стр. 36
2.2. Методика, приборы и оборудование, используемые в лабораторных экспериментах Стр. 39
2.3. Основные результаты экспериментов Стр. 42
2.4. Выводы Стр. 51
Глава 3. ИНЪЕКЦИЯ В РЕЖИМЕ ГИДРОРАЗРЫВА
3 .1. Общие соображения Стр. 52
3.2. Цели и задачи экспериментов Стр. 57
3.3. Методика экспериментов, приборы и оборудование Стр. 57
3.4. Результаты экспериментов Стр. 67
3.5. Выводы Стр. 78
Глава 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ
ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ВЫСОКОНАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИЕЙ
4.1. Общие положения Стр. 79
4.2. Моделирование гидроразрывов Стр. 86
4.3. Моделирование инъекции Стр. 92
4.4. Моделирование догружения упрочненного основания Стр. 96
4.5. Выводы Стр. 102
Глава 5. ОПЫТ НАТУРНОГО ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИИ РАБОТ
5.1. Общие положения Стр. 103
5.2. Закрепление оснований в натурных условиях Стр. 104
5.2.1. Стабилизация осадок фундаментов здания варочного цеха пивзавода им. Степана Разина Стр. 104
5.2.2. Стабилизация осадок фундаментов здания школы олимпийского резерва Калининского района Стр. 112
5.3. Совершенствование технологии укрепительного инъектирования на небольших глубинах Стр. 119
5.3.1. Общие соображения Стр. 119
5.3.2. Оптимизация конструкции манжеты Стр. 121
5.3.3. Определение объемов закачиваемого в грунт раствора. . . . Стр. 123
5.3.4. Оптимизация технологии инъекции Стр. 134
5.4. Выводы Стр. 135
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ Стр. 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Стр. 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Стр. 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Стр. 157
СПРАВКИ Стр. 163
з
Необходимость в стабилизации осадок фундаментов возводимых или уже долгое время существующих зданий и сооружений возникает в силу целого ряда причин. Это может быть вследствие ошибок при проектировании при переоценке несущей способности грунтов и их деформационных характеристик. Весьма частым является ухудшение свойств грунтов при строительстве или эксплуатации зданий - расструктуривание или выпуск в ближайшие к фундаментам выработки, в том числе и подземные. При перечисленных обстоятельствах, а также в случае других причин актуальным становится вопрос об усилении оснований и фундаментов.
Помимо отмеченных выше аварийных причин, когда усиление оснований и фундаментов зданий необходимо для обеспечения их сохранения, в практике строительства могут решаться реконструкционные задачи. Понимаемая в широком смысле, реконструкция означает не только переделку самого здания или сооружения (замена отдельных конструктивных элементов, надстройка, углубление подвала и т.п.), но и пристройку к объекту каких-либо новых помещений, прокладку под ним или вблизи него подземных сооружений и т.д. Объем таких работ в современных городах растет с каждым годом.
Реконструкции также подлежат многие старые здания и сооружения, подвергшиеся деформациям за длительный период существования. Историческая ценность таких объектов требует значительных затрат на усиление конструкций. Во многих случаях деформации наземных конструкций вызваны неравномерными осадками грунтов основания. Очевидно, работам по укреплению надземных конструкций в ряде случаев должны предшествовать работы по усилению оснований и фундаментов.
Именно эти работы являются первоочередными и, как правило, наиболее сложными.
Сложность работ по усилению оснований и фундаментов зданий и сооружений вытекает из того, что надземные конструкции, как правило, сильно деформированы, в них присутствуют трещины, что диктует особую тщательность и последовательность любых операций, изменяющих напряженно-деформированное состояние системы “здание - основание”. Необходимо также отметить, что причины развития деформаций грунтов не всегда можно точно установить. Достаточно сложным является также прогноз поведения основания без проведения каких-либо работ по его усилению. В случае принятия решения по усилению оснований и фундаментов следует учитывать перераспределение усилий в конструкциях при усилении части основания или значительных сроках работ по всему объекту.
Методы усиления (улучшения) оснований в общем случае сводятся к конструктивным, механическому уплотнению и закреплению [ 0.1 ]. Применительно к существующим зданиям и сооружениям усиление (улучшение) основания может производиться конструктивно (в виде армирования) и с помощью закрепления.
Усиление фундаментов возможно при увеличении прочности их кладки, а также изменении условий передачи давлений на грунт [ 0.1 ].
При этом только последнее мероприятие приводит к стабилизации осадок фундаментов.
В качестве мероприятий по изменению условий передачи давлений на фунт известны меры по уширению или углублению подошвы фундаментов, а также пересадка фундаментов на сваи. В силу большой трудоемкости и фактической невозможности устройства ниже уровня грунтовых вод уширение или углубление подошвы фундаментов применяется очень редко. Таким образом, основными методами усиления оснований и фундаментов
деформированных объектов являются пересадка фундаментов на сваи и инъекционное закрепление грунтов. Эти два классических метода конкурируют между собой и в ряде случаев являются вполне равноправными. При этом окончательный выбор метода устанавливается из чисто экономических соображений. Вместе с тем, существуют обстоятельства, когда пересадка фундаментов на сваи в принципе исключена или явно нецелесообразна. Так, устройство под зданием новых свай невозможно при наличии под его подошвой каких-либо подземных сооружений. Если же основание сложено мощной толщей слабых грунтов, то устройство новых свай нерационально. В подобных случаях усиление основания должно производиться с помощью инъекционного закрепления.
Инъекционное закрепление грунтов применяется в практике уже почти два столетия. К середине 20 века были отработаны рецептуры и технологии закрепления, однако они касались, в основном, хорошо проницаемых грунтов. В случае наиболее часто встречающихся в реальных условиях пылевато-глинистых грунтов закрепление возможно только при активизации в них осмотических процессов с использованием электрического тока. Отмеченные методы чрезвычайно дороги и в силу этого не нашли сколь- либо широкого применения. Таким образом, вопрос возможности инъекционного закрепления слабопроницаемых грунтов остается открытым.
Необходимо также отметить, что выдвигаемые в настоящее время во всем мире строгие экологические требования существенно сужают номенклатуру используемых ранее химических реагентов, закачиваемых в грунты. Это заставляет пересмотреть многие позиции, характерные для подхода к процессам закрепления ранее.
С другой стороны, в мире многократно возросла номенклатура строительных материалов самого широкого профиля. Внедряются в практику новые микрозернистые материалы, нетоксичные растворы, обладающие невиданной ранее проникающей способностью и т.п. Очевидно, некоторые йз
этих материалов могут найти применение при закреплении слабых и малопроницаемых грунтов.
Настоящая работа посвящена разработке методики стабилизации осадок фундаментов зданий и сооружений с помощью инъекционного закрепления. Основное внимание уделялось следующему:
1. Изучению методов усиления и переустройства оснований и фундаментов.
2. Разработке предложений по рационализации инъекционного закрепления слабопроницаемых грунтов, залегающих в основании существующих зданий и сооружений.
3. Рассмотрению вопросов по математическому моделированию напряженно-деформированного состояния системы “фундамент - закрепляемый грунт” при использовании высоконапорной инъекции.
4. Комплексному учету геотехнических и технологических факторов, диктующих наиболее рациональные параметры процессов закрепления.
Диссертация выполнена на кафедре геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Полевые исследования выполнялись на Санкт-Петербурга.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору И. И. Сахарову, д.т.н., профессору В. Н. Бронину, д.т.н., профессору А. Б. Фадееву, зав. кафедрой д.т.н., профессору С. Н. Сотникову и всем сотрудникам кафедры геотехники за постоянную помощь в работе.
Автор выражает также благодарность сотрудникам фирм:
“ЛЕФ”, “ОДАКС”, “МЕТРОГЕОС” за предоставленные возможности участвовать в проведении экспериментов.
Автор выражает благодарность научному консультанту д.т.н.
К. П. Безродному за ценные советы при подготовке настоящей работы.

Список литературы

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1. Развитие неравномерных осадок зданий и сооружений часто
вынуждает прибегать к усилению основания. При этом в случае мощной толщи слабых отложений, наличии подземных сооружений под подошвой объектов, усилении только части их и некоторых других обстоятельствах, наиболее рациональны одним из наиболее рациональных, а иногда и единственно возможным является инъекционное закрепление грунтов.
2. В случае залегания в основании относительно проницаемых несвязных грунтов и сильнодеформированных надземных конструкций возможно закрепление грунтов при малых инъекционных давлениях. Наибольший эффект в этом случае обеспечивается при использовании растворов из домолотых цементов. Подобная инъекция обеспечивает максимальную прочность и минимальную деформацию закрепленных массивов. Использование химически диспрегированных микроцементов для укрепительной инъекции грунтов нецелесообразно.
3. Экспериментальные исследования инъекции цементных растворов в крупноразмерные образцы связных грунтов, проведенные при высоких давлениях, позволили установить характер распространения раствора и типы текстур, образующихся в массивах. В опытах получено три типа текстур (“А”, “Б” и “В”), отличающихся числом трещин, а также степенью заполнения их раствором. Основной причиной, приводящей к различию в образовании текстур, является соотношение давлений разрыва и нормальных напряжений в плоскости возможных смещений.
4. Для целей эффективного закрепления связных грунтов оптимальным следует считать тип текстуры “А”, характеризующийся отсутствием незаполненных раствором трещин, максимальной толщиной растворных прожилок и существенным уплотнением непропитанного грунта между смежными затвердевшими растворными образованьями.
Этот тип текстуры в опытах образовывался при соотношениях давлений разрыва и нормальных напряжений в плоскости возможных смещений, равных 33,9.
5. Оптимальная текстура закрепления связных грунтов (тип “А”), предусматривающая гидроразрыв в горизонтальной плоскости с закачкой в образующуюся трещину раствора допускает в статической постановке достаточно простое математическое моделирование. НДС массива грунта с разрывом, заполненным раствором под давлением можно рассматривать как область с внутренней зоной, по внешней границе которой приложены всесторонние давления. При рассмотрении инъекции через манжетную трубу задачу можно рассматривать как осесимметричную.
6. Численное моделирование показывает, что при правильном гидроразрывном закреплении оснований, сложенных связными грунтами, можно добиться повышения их несущей способности до 200 - 300% по сравнению с несущей способностью основания до закрепления. При этом осадки оснований, закрепленных с помощью гидроразрыва малы, что должно благоприятно сказываться на состоянии деформированных сооружений.
7. При укрепительной инъекции оснований зданий, производимой обычно на небольшой глубине, целесообразным явится некоторое упрощение конструкции манжетной колонны. Основное упрощение заключается в устройстве манжеты, необратимо разрушающейся сразу же после подачи раствора в грунт. Такое решение будет способствовать максимальному раскрытию трещин в плоскости разрыва и их полному заполнению достаточно грубыми цементными растворами.
8. Объем цементного раствора, закачиваемого в гидроразрывы грунта может определяться по несложным выражениям вида:
Vp = (a + b/E), Vp = (а + Ь/Е)2 или Vp = ехр(а + Ып(Е)).
Указанные выражения применимы при закреплении оснований фундаментов с давлениями по подошве 50 - 200 кПа в случае устройства под подошвой до трех гидроразрывов по высоте.
Классический метод закрепления оснований пропиткой требует знания только фильтрационных характеристик грунтов. При гидроразрывном методе закрепления геотехническое обоснование подразумевает под собой одновременный учет механических характеристик закрепляемых грунтов, а также напряженного состояния в основании до инъекции, в процессе ее проведения и после укрепительных работ. Таким образом, гидроразрывной метод закрепления требует тщательного предпроектного обоснования, которое может весьма эффективно осуществляться численными методами.