автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование технологии виброуплотнения основания буронабивных свай мостовых фундаментов и методики их расчета

Ходоров Игорь Викторович

Совершенствование технологии виброуплотнения основания буронабивных свай мостовых фундаментов и методики их расчета

Специальность: 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ходоров Игорь Викторович

Совершенствование технологии виброуплотнения основания буронабивных свай мостовых фундаментов и методики их расчета

Специальность: 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа, выполнена в Филиале ОАО ЦНИИС «Научно-исследовательский центр «Строительно-технологические комплексы».

Научный руководитель: Кандидат технических наук,

Смирнов А.Ю.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Доброе Э.М.

Кандидат технических наук, Решетников В.Г.

Ведущая организация:

ГУП «Мосинжпроект»

Защита состоится 28 мая-2004 г. в 10 часов на заседании' диссертационного совета Д 303.018.01 при ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС) по адресу: 129329, Москва, ул. Кольская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС. Автореферат разослан 28 апреля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Расширение объемов транспортного строительства, приводит к необходимости освоения территорий со сложными гидрогеологическими условиями, на площадях, ограниченных существующей застройкой и эксплуатирующимися транспортными магистралями, и, как следствие, к увеличению удельных нагрузок на основание. В этих условиях все более широкое распространение получает высокопроизводительная технология устройства фундаментов замещения — буронабивных, бурошнековых. Такая технология наиболее применима с точки зрения экологии и безопасности для существующей застройки. В тоже время хорошо известен и главный недостаток буровых свай - это возможность в полной мере реализовать несущую способность материала ствола сваи только при наличии в основании прочных грунтов.

В практике строительства среди прочих приемов преодоления этого недостатка используются динамические способы уплотнения околосвайного грунта, в том числе с применением вибротехники. Наиболее актуальными для современного мостостроения являются технологии, позволяющие с высокой надежностью обеспечивать требуемую несущую способность буронабивных свай в разнообразных грунтовых условиях, адаптированные к традиционным способам устройства свай.

При сооружении буровых свай глубокого заложения, особенно в фундаментах мостовых опор, где приходится сталкиваться преимущественно с обводненными скважинами, наиболее эффективной представляется технология втрамбовывания жесткого материала в грунт забоя при помощи пространственного виброштампа. Однако особенности устройства таких свай и их работы под нагрузкой изучены не достаточно. Представляет несомненный практический интерес совершенствование расчетного аппарата, позволяющего учитывать получаемый от применения технологии эффект.

Таким образом, диссертационная работа посвящена решению одной из актуальных задач мостостроения - повышению несущей способности и снижению ресурсоемкости свайных фундаментов.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии глубинного уплотнения основания буровых свай путем объемного вибровтрамбовывания жесткого материала в забой глубоких скважин, а также разработка инженерного метода расчета данных свай.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведены натурные исследования процесса вибротрамбования жесткого материала в основании скважин при сооружении опытных буронабивных свай мостовых фундаментов;

- экспериментально установлен характер деформирования грунтового основания в процессе виброуплотнения, характер распределения жесткого материала в грунте, форма и размеры получаемых уплотненных зон;

- оценен характер деформирования грунтового основания с втрамбованным пространственным виброштампом жестким материалом при действии статической нагрузки;

- разработаны предложения по совершенствованию технологии глубинного объемного виброуплотнения основания буровых скважин с втрамбовыванием жесткого материала;

- на основании экспериментальных данных разработана методика расчета несущей способности грунтового основания с втрамбованным жестким материалом.

Научная новизна работы:

- экспериментально определены закономерности распределения в грунте жесткого материала под воздействием пространственного виброштампа и формирования зоны уплотненного грунта в основании буровой скважины;

- оценено влияние вибровтрамбовывания жесткого материала в грунт забоя буровых скважин на несущую способность основания в различных грунтовых условиях;

- в результате теоретического моделирования с использованием экспериментальных данных определены коэффициенты условий работы при расчете несущей способности свай по грунту;

- получено теоретическое решение для определения размеров зон уплотнения вокруг буронабивных свай исходя из величины смещения границы скважины при динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.).

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований определены технические параметры процесса сооружения буровых свай с вибровтрамбовыванием жесткого материала в грунт забоя буровых скважин и технологические режимы работы оборудования, которые позволяют достигать повышения несущей способности, снижая влияние дополнительных операций на темпы сооружения буронабивных свай по традиционным технологиям.

Разработаны рекомендации по глубинному виброуплотнению грунта забоя буровых скважин и методика расчета несущей способности грунтового основания с втрамбованным жестким материалом.

Применение технологии и предложенной методики расчета позволяет повысить эффективность свайных фундаментов, за счет повышения несущей способности при одновременном снижении себестоимости выполняемых работ. На защиту выносятся:

1. Закономерности распределения в грунте жесткого материала под воздействием пространственного виброштампа и формирования зоны уплотненного грунта.

2. Закономерности деформирования грунтового основания с втрамбованным пространственным виброштампом жестким материалом при действии статической нагрузки.

3. Инженерный метод расчета несущей способности буронабивных свай, устраиваемых с вибровтрамбовыванием жесткого материала в основание скважин.

4. Технические параметры и технологическая схема производства работ по глубинному виброуплотнению грунта забоя буровых скважин с втрамбовыванием жесткого материала. Реализация работы. Уплотнение околосвайного грунта с применением технологии объемного вибротрамбования осуществлялось при сооружении бу-ронабивных свай на строительстве нескольких объектов в составе Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) и Третьего транспортного кольца в г. Москве. Результаты исследований и предложенная методика расчета использованы при проектировании и сооружении свайного фундамента опоры № 1 моста через канал им. Москвы на 66 км а/д Москва - Дмитров - Дубна у г. Яхромы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

- теоретическими предпосылками, основанными на фундаментальных положениях механики грунтов и инженерной геологии;

- строительной практикой уплотнения грунтов;

- удовлетворительной сходимостью результатов лабораторного моделирования технологии устройства и работы буровых свай под нагрузкой с результатами натурных исследований;

- экспериментально и статистически обоснованным использованием при определении несущей способности буровых свай расчетных параметров, применяемых в существующих нормативных документах при расчетах фундаментов, устраиваемых в уплотненном грунте;

- накопленным опытом применения технологии при строительстве транспортных сооружений и результатами проведенных натурных испытаний. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на заседаниях секций Ученого > совета ОАО ЦНИИС, научно-технических конференциях «Современные технологии строительства, реконструкции, ремонта и содержания искусственных сооружений на автомобильных дорогах» (г. Москва, Росавтодор, 2002 г.), «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (г. Москва, МИИТ, 2003 г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа содержит 145 страниц текста, 48 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 90 наименований и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность избранной темы диссертации для современного мостостроения, сформулирована цель работы, определены объекты и методы исследований, а также научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ исследований взаимодействия с основанием и технологий сооружения набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта, а также рассмотрены некоторые методы определения несущей способности набивных свай с учетом уплотнения околосвайного грунта на стадии изготовления.

Экспериментальные и теоретические исследования технологий сооружения различных видов набивных свай в уплотненном грунте, в том числе с втрамбованным в забой скважин жестким материалом, и их взаимодействия с основанием ведутся в нашей стране не один десяток лет. Этой теме посвящены работы таких выдающихся ученых, как А.А. Бартоломей, В.Н. Голубков, А.Л. Готман, А.А. Григорян, Ю.К. Зарецкий, В.И. Кругов, Ю.Н. Мурзенко, Г.М. Петренко, А.В. Пилягин, Е.А. Сорочан, В.А. Флорин и др., а также их учеников.

Многочисленными исследованиями установлено, что при определенном динамическом воздействии на грунт происходит повышение его несущей способности при одновременном снижении деформативности грунтового основания.

Обзор экспериментальных и теоретических исследований работы фундаментов на динамически уплотненном основании, проведенных В.Л. Рафальзу-ком, P.P. Авазовым, Ю.А. Чиненковым, Е.В. Гринько, А.Ю. Смирновым и другими авторами, позволил выделить два основных технологических направления воздействия на грунтовое основание.

В первом случае грунтовое основание скважин уплотняется вибрационным или ударным воздействием рабочими органами сплошного сечения. При втрамбовывании жесткого материала в основание скважины образуется ушире-ние в форме эллипсоида вращения с зоной уплотненного грунта вокруг него, повторяющей форму уширения. Размеры уширения и уплотненной зоны зависят от размеров трамбующего элемента, параметров трамбования, характеристик грунтов.

Другое направление связано с использованием глубинных виброуплотнителей. Воздействие на грунт забоя буровых скважин пространственными виброштампами позволяет осуществлять повышение несущей способности набивных свай в водонасыщенных структурно неустойчивых грунтах. Экспериментально установлено, что виброуплотнение несвязного грунта происходит за счет снижения внутреннего трения в грунте от действия вибрации и вследствие этого более плотной переупаковке частиц грунта под действием силы тяжести и направленного динамического усилия рабочего органа.

Для учета уплотнения грунта на технологической стадии при определении несущей способности набивных свай по торцу используются такие методы, как составление таблиц расчетных сопротивлений грунта для конкретной технологии, введение дополнительных коэффициентов условий работы к существующим табличным значениям расчетных сопротивлений, условное изменение формы и размеров сваи в нижней части или поверхностей предельного равновесия. Возможность применения какого-либо из существующих методов для расчета несущей способности свай, сооружаемых с втрамбовыванием жесткого

материала в грунт забоя при помощи пространственного виброштампа, требует экспериментального подтверждения.

Расчет свайных элементов, работающих в уплотненном грунте, является достаточно сложной задачей, что обусловлено наличием в основании локальных зон с различными физико-механическими характеристиками. В этой связи очевидны преимущества методов расчета, основанных на нелинейных моделях механики грунтов.

В тоже время, может возникнуть необходимость получения оперативной оценки несущей способности основания, как на первых стадиях проектирования сооружения, так и в ходе производства работ. Для этих целей могут быть использованы относительно простые инженерные методы определения несущей способности свай, базирующиеся на основных физико-механических характеристиках грунтов, полученных при стандартных испытаниях, или на результатах полевых испытаний грунтов.

Основываясь на анализе состояния вопроса, для решения поставленных задач разработана методика проведения исследований (рис.1).

Рис. 1. Методика проведения исследований

Вторая глава посвящена натурным исследованиям буронабивных свай, сооружаемых с глубинным уплотнением грунта забоя скважины вибровтрамбовыванием щебня в условиях строительства.

Исследования проводились в течение нескольких лет при производстве работ на строительстве искусственных сооружений на Московской кольцевой автомобильной дороге (МКАД) и Третьем транспортном кольце в г. Москве. В

первой части главы содержатся сведения о проектных решениях фундаментных конструкций и инженерно-геологических условиях строительства.

Основными задачами опытных работ в условиях строительства являлись изучение и разработка рациональных параметров технологических процессов и режимов работы виброоборудования при сооружении буронабивных свай с объемным вибровтрамбовыванием жесткого материала в грунт забоя скважин, а также контроль несущей способности модифицированного грунтового основания.

Технология виброуплотнения грунта забоя буровых скважин с добавлением жесткого материала (рис. 2) предусматривала засыпку в пробуренную скважину порции щебня, подъем на определенную высоту обсадной трубы, вибровтрамбовывание щебня в грунт забоя скважины путем циклического погружения-извлечения виброштампа с досыпкой на определенных этапах дополнительных порций щебня.

Ключевыми техническими параметрами являлись соотношения объема первой и последующих порций отсыпаемого на забой скважины щебня и величины подъема обсадной трубы над забоем. Основными критериями оценки эффективности технологического процесса служили суммарный объем втрамбованного щебня и время, затраченное на вибротрамбование, отнесенные к достигнутой несущей способности основания.

По результатам наблюдений за работой виброоборудования было выделено два основных частотных диапазона, которые могут быть определены как технологические режимы «погружение» и «трамбование» (рис. 3). Погружение и извлечение РО из грунта, как правило, производилось при частоте вращения дебалансов (л) 800-1200об/мин. с амплитудой 3-5 мм, вибротрамбование щебня при частоте 600-900об/мин. с амплитудой 6-15 мм, а при вхождении в виброударный режим - до 25-30 мм. В слабых грунтах выбор рациональных режимов позволяет сокращать время выполнения технологических операций для достижения проектной несущей способности основания, снижая при этом нагрузку на узлы и механизмы оборудования. При вибровтрамбовывании щебня в более прочные глинистые грунты с невысокой пористостью и влажностью, или в более плотные маловлажные песчаные грунты возникает необходимость увеличения энергии и большое значение приобретает возможность плавного оперативного регулирования режимов вибровоздействия.

Параллельно были проведены парные испытания грунта естественного сложения на забое скважин и испытания основания с втрамбованным щебнем как в песчаных, так в связных грунтах, а также статические испытания отдельных готовых буронабивных свай. Комплексные испытания показали, что вибровтрамбовывание жесткого материала в грунт забоя скважин при помощи глубинного пространственного виброштампа, дало возможность повысить несущую способность буронабивных свай по торцу в различных грунтовых условиях в 2-6 раз.

Рис. 2. Технологическая схема уплотнения основания буровой скважины

I - засыпка в пробуренную скважину щебня; II - подъем обсадной трубы; III - втрамбовывание щебня в грунт забоя скважины; IV - погружение обсадной трубы до проектной отметки; V - установка арматурного каркаса и бетонирование скважины

1 - обсадная труба; 2 - щебень; 3 - вибратор; 4 - виброштамп; 5 - арматурный каркас; 6 - насосная станция, 7 - гибкие трубопроводы

Рис. 3. Режимы опытного виброуплотнения основания буровой скважины

Н - высота столба щебня в скважине; И - высота подъема обсадной трубы; вч - работа вибратора в режиме «погружение»; нч - работа вибратора в режиме «трамбование»

Рис.4. Графики зависимости "осадка - нагрузка", построенные по результатам натурных испытаний основания опытной сваи (глина полутвердая)

1 - испытания грунта природного сложения;

2 - испытания после вибровтрамбовывания шебня

Кроме того, во второй главе диссертации приведены результаты исследования технологии сооружения щебеночных свай в буровых скважинах с применением объемного глубинного вибротрамбования. Проведенные исследования по подбору оптимальных технологических параметров процесса при регулировании режимов работы виброоборудования позволили повысить производительность работ и сооружать одним комплектом оборудования до 10 свай диаметром 1,1 ми длиной 8,5 м в сутки при двухсменном графике работы. При этом несущая способность грунтового массива, армированного щебеночными сваями, увеличилась минимум в два раза.

В третьей главе описана методика лабораторного моделирования процесса вибровтрамбовывания щебня в грунт забоя скважины и исследования работы модельной буронабивной сваи под нагрузкой, приведены результаты лабораторных экспериментов.

Для проведения лабораторных исследований были разработаны и изготовлены лабораторная установка и комплект виброоборудования, моделирующие технологический процесс в масштабе 1:4. Схема модели приведена на рис.5.

Моделирование проводилось с использованием аппарата математической теории планирования эксперимента и основных положений теории размерностей и подобия.

Лабораторная установка представляла собой металлический лоток, оборудованный съемной прозрачной стенкой из оргстекла, позволяющей фиксировать происходящие в грунте процессы с помощью фото- и видеоаппаратуры. В качестве материала грунтового основания модели использовался мелкий песок и глинистый грунт мягкопластичной и полутвердой консистенции.

В грунте устраивалась скважина, защищенная обсадной трубой диаметром 0,2 м. Для работы перед прозрачной стенкой модель обсадной трубы была изготовлена разрезанной пополам по вертикальной оси. В качестве штампа половинного сечения использовалась обсадная труба, к нижнему торцу которой перед испытаниями приваривался металлический лист соответствующей формы.

Во всех опытах принималась величина относительного заглубления модели сваи определяющая работу модели, как фундамента глубокого заложения. Для проведения испытаний статической нагрузкой к лотку крепилась силовая рама с анкерной горизонтальной балкой, служащей упором для нагружающего устройства - гидравлического домкрата.

Технологическое оборудование для втрамбовывания щебня представлял собой гидравлический вибратор, соединенный с виброштампом. Виброштамп -это вертикальная штанга, к которой в определенном порядке приварены продольные штампующие ребра. Как и модель скважины, виброштамп был изготовлен половинным, по вертикальной оси, сечением.

Подобие процесса втрамбовывания жесткого материала в основание буровой скважины натурным условиям при опытном моделировании достигалось за счет сохранения соотношений геометрических размеров скважины, рабочего органа виброштампа (РО), фракции щебня. Кроме этого пропорционально принятому масштабу моделирования была снижена энергия вибровоздействия.

Эксперимент был разбит на два этапа. На первом этапе в процессе вибротрамбования фиксировалось распределение щебня в грунте ниже забоя модельной скважины. Характер и размеры зон деформаций основания при втрамбовывании щебня определялись по изменению очертания сетки из горизонтальных и вертикальных цветных полос с шагом 100 мм, нанесенной на грунт. При исследовании на втором этапе работы уплотненного грунта под действием статической нагрузки на грунт и на втрамбованный щебень наносилась новая

Рис. 5. Схема установки для лабораторного моделирования.

сетка из горизонтальных и вертикальных цветных полос с шагом 50 мм, совпадающая с прежней.

В процессе втрамбовывания щебня его распределение в грунте и формирование зоны уплотненного грунта, а так же поведение полученного основания. под действием статической нагрузки, поэтапно фиксировалось при помощи киносъемки и фотосъемки цифровой камерой. Полученные изображения систематизировали, по зафиксированным визуальным изменениям на выбранных этапах процесса втрамбовывания щебня, и на ступенях статического нагружения модели сваи.

Для сопоставления работы грунтового основания с втрамбованным щебнем и основания естественной структуры проводились статические испытания модели буронабивной сваи для каждого вида грунта без втрамбовывания жесткого материала. Помимо этого для каждого вида грунта проводились испытания модели забивной сваи. Модель забивной сваи, разрезанной пополам по вертикальной оси, сечением 0,15x0,075 м была изготовлена из деревянного бруса с металлическим оголовком.

При проведении лабораторных экспериментов виброуплотнение грунта в основании модельных скважин проводили по технологии, принятой в ходе опытных натурных работ. Вибровтрамбовывание щебня проводили по циклической схеме воздействия до достижения эффекта отказа в уровне забоя модели скважины. Цикл работы виброштампа включал ступенчатое погружение, извлечение и досыпку (при необходимости) очередной порции щебня.

При погружении в первом цикле в грунт забоя скважины в зоне действия ребер виброуплотнителя происходит разрушение природной структуры грунта. На этой стадии были выявлены особенности процесса вибропогружения РО, связанные с видом грунта основания.

Песчаные и пластичные глинистые грунты переходят в псевдожидкое состояние, при этом за счет резкого снижения внутреннего трения под действием силы тяжести и сонаправленной составляющей вибрационного воздействия засыпанный в скважину щебень погружается в грунт» Вслед за этим, погружаясь в щебень, РО за счет динамического давления вытеснял щебеночные частицы вниз и в стороны от оси скважины, уплотняя, тем самым как втрамбовываемый щебень, так и окружающий грунт.

По мере добавления порций щебня, от цикла к циклу щебеночный массив увеличивался по высоте и в диаметре на глубину погружения РО. В окружающем грунте формировалась периферийная уплотненная зона, образуя вытянутое в вертикальном направлении тело вращения.

При достижении максимально возможной плотности сложения щебня и грунта уплотненной зоны скорость погружения виброштампа снижалась до определенной величины, при одновременном росте амплитуды колебаний РО, т.е. возникал эффект отказа. Отдельные этапы процесса вибровтрамбовывания щебня в песчаный грунт и формирования уплотненной зоны представлены на рис.6.

В глинистых грунтах полутвердой и твердой консистенции при погружении РО в первом цикле грунт заклинивается между ребрами, уплотняется, обра-

Рис. 6. Картина деформации песчаного грунта в процессе вибровтрамбовывания щебня ниже забоя модели буровой скважины

а, б - первый цикл работы виброштампа, в - второй, г - третий, - положение РО

зовывая грунтовую пробку, которая при дальнейшем погружении движется со' вместно РО, формируя в грунтовом массиве пробитую цилиндрическую скважину за счет вытеснения грунта вниз и в стороны. Образованная при этом в грунте ниже забоя скважина, диаметром примерно равная диаметру РО, заполняется щебнем. При следующих циклах, формирование щебеночного массива и уплотненной зоны происходит так же, как и в песчаных грунтах.

Установлено, что и в песчаных и в глинистых грунтах сформированный вибротрамбованием щебеночный массив (далее «щебеночное «ядро») имеет форму конического тела вращения. При погружении РО на всю длину в грунт забоя скважины, высота щебеночного «ядра» составляла

глубина погружения РО). Диаметр щебеночного «ядра» в уровне забоя составлял в песке - плавно уменьшаясь до в уровне подошвы «ядра», в глине эти размеры составляли соответственно -1,8—2,3(11,0 и 0,4—1,0(1,ю. Как показали измерения, объем получаемого щебеночного «ядра» в грунте за счет уплотнения щебеночных частиц в среднем на 20% меньше суммарного объема засыпанных в скважину и втрамбованных порций щебня. Зона уплотненного грунта вокруг щебеночного «ядра» имела максимальную высоту 3,5—4,0(1«, от забоя скважины и максимальный диаметр 3,0-4,0(1«, на глубине 1,0-1,5(1«, от забоя (рис. 7).

В процессе статического нагружения моделей свай с втрамбованным в основание щебнем наблюдения за деформацией цветных полос масштабной сетки, нанесенных на втрамбованный ниже забоя скважины щебень и окружающий грунт, позволили установить следующее.

С приложением начальных ступеней вертикальной нагрузки в щебеночном «ядре», сформированном при виброштамповании грунта, выделяется уплотненное ядро под подошвой штампа. При дальнейшем повышении нагрузки на штамп это уплотненное ядро ведет себя как одно целое и практически не изменяется. В остальном характер деформации основания аналогичен классическим представлениям: по мере погружения штампа уплотненное ядро, ограниченное двумя поверхностями сдвига, идущими от краев штампа, сдвигает прилегающий к нему щебень и окружающий грунт вниз и в стороны и уплотняет грунт ниже ядра (рис. 8).

Основное отличие характера деформации песчаного грунта с втрамбованным щебнем от глинистого состоит в том, что при равной осадке зона деформаций в глине имеет более вытянутое в вертикальном направлении очертание с меньшим развитием горизонтальных перемещений грунта.

Сравнительные результаты статических испытаний моделей обычных бу-ронабивных свай и моделей свай с втрамбованным ниже забоя скважины щебнем показали, что для свай со щебеночным «ядром» в основании характерно более пологое очертание графика «осадка-нагрузка», без явно выраженного «срыва», соответствующего возникновению незатухающих деформаций при постоянной вертикальной нагрузке. Как правило, аналогичные графики получают при испытаниях столбчатых фундаментов в вытрамбованных котлованах или набивных свай в пробитых скважинах.

Рис. 7. Модель буровой сваи со щебеночным «ядром» в основании а - в песчаном грунте; б - в глинистом;

/ - модель буровой сваи; 2 - сформированное вибротрамбованием щебеночное «ядро»; 3 - зона уплотненного грунта, образованная при втрамбовывании щебня

Рис. 8. Схема деформации грунтового основания со щебеночным «ядром» при погружении буронабивной сваи

1 - грунт природного сложения; 2 - уплотненное ядро; 3 - зона уплотненного грунта; 4 - зона деформаций; 5 — щебеночное «ядро» в основании сваи; й - осадка сваи под нагрузкой

При нормативных критериях оценки несущей способности основание с втрамбованным щебнем воспринимает нагрузку в 3-5 раз больше чем грунт естественного сложения (рис. 9). Определенные по результатам испытаний в лотке сопротивления под торцом моделей забивных свай на 5-20% превышают сопротивления под торцом моделей свай со щебеночным «ядром» в основании в том же грунте. Для мягкопластичной глины сопротивление под нижним концом модели забивной оказалось на 30% ниже сопротивления основания с втрамбованным щебнем. Полученные данные достаточно хорошо коррелируются с результатами натурных испытаний.

Рис. 9. Графики зависимости "осадка - нагрузка", построенные по результатам лабораторных испытаний моделей свай в лотке

а - песок мелкий; б - глина полутвердая

1 - буронабивная свая без уплотнения;

2 - буронабивная свая со щебеночным "ядром" в основании;

В четвертой главе даны предложения по методике расчета и технологии производства работ по устройству буронабивных свай с уплотнением околосвайного грунта втрамбовыванием жесткого материала пространственным виброштампом.

Как показали проведенные автором лабораторные исследования, процессы формирования новой структуры грунтового основания буровой сваи по своим механизмам аналогичны происходящим при забивке наконечников свай или вытрамбовывании (пробивке) скважин. Это позволяет использовать известные аналогии для построения метода расчета несущей способности основания, полученного в результате объемного глубинного виброштампования с втрамбовыванием в грунт природного сложения жесткого материала.

В СНиП 2.02.03-85, в некоторых Рекомендациях и региональных нормах для определения несущей способности свай используются таблицы расчетных значений сопротивлений грунта. Предусмотрены различные классы расчетных сопротивлений грунта для свай, сооружаемых с замещением грунта и с вытеснением грунта при изготовлении свай по разным технологиям.

Как известно, приводимые в нормативных документах таблицы значений расчетных сопротивлений получены на основе анализа большого числа испытаний свай статической нагрузкой и отражают влияние изменения структуры грунта в процессе сооружения свай на несущую способность основания. Следовательно, использование расчетных сопротивлений грунта под нижними концами свай вытеснения при расчете несущей способности буронабивных свай с втрамбованным в основание щебнем может быть обосновано при условии введения соответствующих коэффициентов условий работы.

Для того, чтобы оценить в каком соотношении с указанными расчетными сопротивлениями находятся достигаемые при объемном вибровтрамбовывании щебня в грунт ниже забоя скважины, были исследованы зависимости, по которым соотносятся приведенные в нормативных документах расчетные сопротивления для разных типов свай. После чего, используя в качестве ключевых точек данные натурных и лабораторных опытов в соответствующих грунтах, была построена аналогичная зависимость расчетных сопротивлений для исследуемой технологии.

В качестве показателя, определяющего влияние улучшения характеристик околосвайного грунта при уплотнении на его сопротивление, было принято отношение расчетных сопротивлений для этого вида грунта при технологии с замещением и с вытеснением грунта фундаментными конструкциями. Для этого строились зависимости соответствующих коэффициентов К от вида и класса грунта, используя данные, приведенные в нормативных документах.

Автором проанализированы зависимости между расчетными сопротивлениями под нижними концами забивных и буровых свай (коэффициент К), а также под нижними концами набивных свай в буровых скважинах с уплотненным забоем и свай в выштампованном ложе (коэффициент К). Анализ полученных результатов, свидетельствует о том, что сопротивления грунта под нижними концами свай, устраиваемых с выемкой грунта, а также с выемкой

грунта и уплотнением забоя связаны с сопротивлениями под нижними концами свай с вытеснением грунта аналогичными зависимостями. Экспериментально подтвержденное подобие физических процессов позволяет сделать вывод о сохранении характера зависимости также и между сопротивлениями грунта под нижними концами свай с вытеснением грунта и буровых свай с объемным вибровтрамбовыванием щебня в грунт забоя.

Определение зависимости, наиболее точно отражающей указанное соотношение, производилось в привязке к результатам натурных и лабораторных сравнительных испытаний оснований с втрамбованным при помощи виброштампа щебнем. Полученные коэффициенты Кю определяемые отношением сопротивлений под нижними концами свай с втрамбованным в основание щебнем к сопротивлениям для забивных свай, в качестве опорных точек подставлялись в уравнения анализируемых корреляционных зависимостей К„ и Ку.

Проведенные расчеты с использованием статистических методов показали, что наиболее точно значения экспериментальных коэффициентов ложатся на кривые, полученные на основе зависимости от показателя текучести глинистых грунтов и крупности песчаных (рис. 10,11).

При проведении лабораторных испытаний моделей свай с втрамбованным в основание щебнем было установлено, что на несущую способность основания оказывает влияние как сопротивление сдвигу структуры уплотненного щебня, так и сопротивление уплотненного грунта вокруг щебеночного «ядра». Для глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции и крупных, гра-велистых песчаных грунтов достигаемые при втрамбовывании щебня сопротивления оказываются ниже, чем для сплошных забивных конструкций за счет деформации структуры щебеночного «ядра» при нагружении. В более слабых грунтах втрамбовывание щебня в грунт забоя скважин позволяет обеспечивать большие сопротивления основания чем для забивных конструкций за счет увеличения размеров уплотненной зоны и дополнительного уплотнения грунта в ее пределах.

Учитывая данные особенности работы искусственного основания, на основе выбранных зависимостей коэффициента К&ыш определены значения коэффициента условий работы

Таблица 1

Значения коэффициента _

При лылевато-глннистых грунтах с показателем текучести

Вид грунта 0.0 V 0.6

При песчаных грунтах

граееяи-стых крупных средней крупности мелких пылеватьа

Лески средней плотности 0,7 0,76 0.86 0,97 1.11

Супеси, суглинки и глины 0.7 0,78 0,87 0,96 1,04 1.11 1.17

Примечание: Для промежуточных значений /¿значения коэффициента усщ определяются интерполяцией.

к

2 I | | | | г

. „ А осреднснные точки по натурным н экспериментальным данным

на основе зависимости Ку (РСН) на основе зависимости Кн (СНиП)

О 0,1 0,2 ОД 0,4 0,5 0,6

Рис.10. Привязка полученных зависимостей для пылевато-глинистых грунтов к экспериментальным и натурным данным

Рис.11. Привязка полученных зависимостей для песчаных грунтов к экспериментальным и натурным данным

Несущую способность буронабивных свай с объемным вибровтрамбовыванием щебня в грунт ниже забоя скважины следует определять по формуле:

Ъ=гЛгс^ м+«Егс/М).

где: УсЯ1

Я

(1)

- коэффициент условий работы, учитывающий особенности совместной работы щебеночного «ядра» в основании сваи и окружающего уплотненного грунта, принимаемый по Таблице 1;

- расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое по Таблице 1 СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», тс/м2;

- площадь опирания сваи, принимаемая равной площади поперечного сечения ствола сваи в уровне подошвы, м2.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (8) СНиП 2.02.03-85.

В данной главе также рассмотрен вопрос определения размеров уплотненных, зон вокруг буронабивных свай. Зоны уплотнения образуются за счет вытеснения околосвайного грунта при направленном динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.). Определение толщины уплотненной зоны производится исходя из величины смещения границы скважины при условии сохранения суммарного объема твердых частиц грунта в пределах уплотненной зоны до и после уплотнения. При выводе теоретического решения принято, что коэффициент пористости грунта в пределах уплотненной зоны изменяется вглубь массива по кривой второго порядка от значения на границе с втрамбованным материалом до на границе уплотненной зоны. Толщина уплотненной зоны определяется по формуле:

где:

- толщина зоны уплотненного грунта вокруг сваи, м;

- минимальный коэффициент пористости уплотненного грунта на границе с втрамбованным материалом;

- коэффициент пористости грунта естественной структуры на границе с уплотненной зоной;

Кт - радиус сваи (из щебня, бетона и т.д.)» М;

- радиус скважины, м;

Приведенные в главе 4 рекомендации по глубинному уплотнению грунта забоя буровых скважин определяют область применения технологии, содержат требования к используемому оборудованию и регламентируют последовательность технологических операций при производстве работ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенными теоретическими, лабораторными и натурными экспериментальными исследованиями установлены закономерности формирования структуры грунтового основания, модифицированного втрамбованным жестким материалом, и характер его деформирования под действием статической нагрузки.

1. Для проведения экспериментов на моделях создана лабораторная установка и разработана методика, которая позволила изучить процесс вибровтрамбовывания щебня в песчаные и глинистые грунты ниже забоя буровой скважины с использованием лабораторного виброоборудования, повторяющего все технологические особенности натурного комплекта. Примененный метод моделирования и лабораторная установка дают возможность проводить широкий круг исследований, направленных на изучение технологий устройства фундаментов, напряженно-деформированного состояния оснований и решение иных геотехнических задач.

2. В результате циклического погружения и извлечения виброштампа с досыпкой жесткого материала в грунте ниже забоя скважины формируется жесткое (щебеночное) «ядро» конусообразной формы. Вокруг щебеночного «ядра» образуется зона уплотненного грунта, имеющая форму усеченного эллипсоида вращения с максимальным диаметром в уровне среднего сечения «ядра». В проведенных опытах размеры уплотненных зон достигали 3,54„ в ширину и в глубину от забоя скважины.

3. Втрамбованный в грунт щебень является элементом искусственного основания и воспринимает нагрузку, приложенную к свае, совместно с окружающим грунтом. В процессе нагружения происходит перераспределение нагрузки пропорционально жесткости слагающих основание материалов. Основание с втрамбованным щебнем воспринимает нагрузку в 2-6 раз больше чем грунт естественного сложения. Проведенными ис-

питаниями подтверждено, что по удельной несущей способности сваи с щебеночным «ядром» в основании приближаются к забивным сваям, а в более слабых грунтах превосходят их.

4. Определены наиболее рациональные режимы работы виброоборудования и последовательность технологических операций. Погружение и извлечение РО из 1рунта производится при частоте вращения дебалансов (л) 800-1200 об/мин. с амплитудой 3-5 мм, вибротрамбование щебня -при частоте 600-900 об/мин, с амплитудой 6-15 мм, а при вхождении в виброударный режим - до 25-30 мм. Принятые режимы вибровоздействия на грунт позволяют обеспечивать проектную несущую способность сваи в рамках стандартного цикла сооружения буронабивной сваи при минимизации энергетических затрат и увеличении ресурса работы оборудования.

5. При расчете несущей способности буронабивных свай следует использовать значения расчетных сопротивлений грунта под нижним концом свай, сооружаемых с вытеснением грунта при введении коэффициента

учитывающего особенности совместной работы щебеночного «ядра» в основании сваи и окружающего уплотненного грунта.

6. Получено теоретическое решение для определения размеров зон уплотнения вокруг буронабивных свай исходя из величины смещения границы скважины при динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.) и характеристик оклос-вайного грунта до и после уплотнения. Данное решение может быть использовано для определения минимального расстояния между сваями, при расчетах несущей способности и деформативности усиленных грунтовых оснований или иных расчетах свай данного типа, учитывающих наличие зон уплотненного грунта.

7. Вибровтрамбовывание жесткого материала в грунт основания скважин и виброштампование укладываемой смеси при бетонировании буровых свай позволяет повысить их суммарную несущую способность от 2 до 6 раз, и/или добиться адекватного снижения длины свай или их количества получить экономический эффект в размере 20-40% от стоимости бу-ронабивной сваи.'

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ходоров И.В., Виноградов О.В., Смирнов А.Ю. Технология сооружения буровых свай повышенной несущей способности «Вибростолб». Труды научн.-техн. конф. «Современные технологии строительства, реконструкции, ремонта и содержания искусственных сооружений на автомобильных доргах». Росавтодор. М.: Информавтодор, 2002.

2. Крицберг Л.В., Ходоров И.В., Смирнов А.Ю. Применение грунтовых свай для усиления слабых оснований. «Строительная техника и технологии», № 2. М: ООО «Медиа Глоб», 2004. с. 66-69.

3. Ходоров И.В., Виноградов О.В. Опыт устройства основания укрепленного щебеночными сваями при строительстве железнодорожной насыпи левобережного подхода к Андреевскому мосту. Труды ЦНИИС, вып. 205. М., 2001. с. 117-122.

4. Ходоров И.В., Виноградов О.В. Методика лабораторных исследований процесса объемного виброштампования жесткого материала в основании буронабивной сваи. Труды ЦНИИС, вып. 216. М., 2003. с. 58-64.

5. Смирнов А.Ю., Ходоров И.В. Экспериментальные исследования особенностей формирования щебеночного ядра под подошвой буровой сваи в песчаных и глинистых грунтах. Труды научно-техн. конф. «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (тезисы докладов). 7-9 окт. 2003 г., МИИТ. М., 2003.

6. Ходоров И.В. Результаты экспериментальных исследований процесса объемного виброштампования жесткого материала в основании бурона-бивной сваи. Труды ЦНИИС, вып. 220. М., 2004.

Подписано в печать 23.04.2004. Формат 60 х 84 У1/16. Печать офсетная. Объем 1,75 п.л. Тираж 70 экз. Заказ 11.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС. ЛицензияПЛД№53-510от22.10.1999г.

129329, Москва, Кольская 1 Тел.:(095)180-94-65

•}

НО 1 98

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Исследования технологий сооружения и взаимодействия с основанием набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта.

1.2. Методы расчета несущей способности набивных свай, устраиваемых с уплотнением околосвайного грунта.

1.3. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Исследования в условиях строительства буронабивных свай, сооружаемых с глубинным уплотнением околосвайного грунта вибровтрамбовыванием щебня.

2.1. Проектные решения фундаментных конструкций и инженерно-геологические условия строительства.

2.2. Исследование технологии виброуплотнения и несущей способности основания буронабивных свай.

2.3. Исследование буронабивных виброштампованных щебеночных свай.

2.4. Результаты натурных исследований.

Глава 3. Экспериментальные лабораторные исследования буронабивных свай, сооружаемых с глубинным уплотнением грунта забоя скважины вибротвтрамбовыванием щебня.

3.1. Методика лабораторных исследований.

3.2. Лабораторное моделирование процесса вибровтрамбовывания щебня в грунт забоя буровых скважин.

3.3. Исследование работы основания с втрамбованным щебнем под действием статической нагрузки.

3.4. Результаты экспериментальных исследований.

Глава 4. Предложения по расчету и устройству буронабивных свай с уплотнением околосвайного грунта вибровтрамбовыванием жесткого материала.

4.1. Инженерный метод расчета несущей способности буронабивных свай.

4.2. Аналитическое определение зоны уплотненного грунта при втрамбовывании щебня (бетонной смеси) в грунт, окружающий скважину.

4.3. Рекомендации по глубинному виброуплотнению основания буронабивных свай.

АЛ. Оценка экономической эффективности применения буронабивных свай сооружаемых с объемным виброштампованием.

Расширение объемов городского строительства, в том числе транспортного, приводит к необходимости освоения территорий со сложными гидрогеологическими условиями, на площадях, крайне ограниченных существующей застройкой и эксплуатирующимися транспортными магистралями, и, как следствие, к увеличению удельных нагрузок на основание.

Традиционное решение фундаментных конструкций зданий и сооружений в таких условиях — свайные фундаменты. Наибольшей эффективностью, с точки зрения использования материала в конструкции, обладают забивные сваи и подобные им конструкции, использующие эффект вытеснения грунта. Изменения, происходящие в структуре грунта в процессе забивки свай или других конструкций, обеспечивают высокую удельную несущую способность.

В то же время в современной строительной практике все более широкое распространение получает технология устройства фундаментов замещения — буронабивных, бурошнековых. Успех этой технологии объясняется, прежде всего, наличием надежных высокопроизводительных базовых буровых машин с широким спектром типоразмеров и богатого ассортимента сменного навесного оборудования (станки типа BAUER, CASAGRANDE, LIEBHERR), позволяющего решать задачу сооружения фундаментов в любых грунтовых условиях. Такая технология наиболее применима с точки зрения экологии и безопасности для существующей застройки.

Для обеспечения высокой несущей способности буронабивных свай по грунту в таких условиях существует несколько путей:

- устройство свай, работающих как сваи-стойки. Скальные грунты зачастую залегают на глубине порядка 50 м и более. Бурение скважин на такую глубину и их бетонирование занимает много времени и связано со значительными материальными затратами; устройство свай с уширенными пятами. Применяется в основном для оснований, сложенных связными грунтами; устройство свай с уплотнением околосвайного грунта [1]. Известно множество технологий уплотнения грунта при сооружении свай с целью улучшения прочностных и деформативных свойств основания. В основном все они имеют определенные области рационального применения и ограничения, связанные, например, с гидрогеологическими условиями, длиной свай, возможностями применяемого специального оборудования, жесткими требованиями к срокам строительства и влиянию, оказываемому на окружающую среду, и другие.

Наиболее актуальными для современного мостостроения являются технологии, позволяющие с высокой надежностью обеспечивать требуемую несущую способность и прочность материала буронабивных свай длиной более 20 м и различных диаметров в разнообразных грунтовых условиях, максимально адаптированные к основным типам бурового оборудования и традиционным способам устройства буровых свай. При этом не должно происходить значительного увеличения трудоемкости и снижения темпов производства работ.

Известны технические решения, обеспечивающие повышение несущей способности буровых свай за счет динамического воздействия на бетонную смесь, укладываемую в скважину, и окружающий грунт [2-6]. Вибрационное воздействие передается на бетонную смесь через специальные штанги, усовершенствованные бетонолитные трубы или через обсадную трубу в процессе ее извлечения. Такие сваи классифицируются как вибронабивные или виброштампованные, а устройства, используемые для их сооружения, называются виброштампами. Расположение вибровозбудителя в верхней части позволяет применять достаточно мощные надежные вибраторы и увеличить массу виброштампа. Как правило, диаметр рабочего органа виброштампа незначительно отличается от диаметра скважины, а штампующая поверхность имеет плоскую или коническую форму. Активная зона уплотняющего воздействия такими органами ограничена (в основном, что особенно важно, по глубине).

Для снижения диссипативных потерь и повышения эффективности распределения энергии, затрачиваемой на уплотнение материала в основании буровой скважины и укладываемой бетонной смеси, разработаны технические решения, использующие в качестве штампа пространственную конструкцию, которая обеспечивает распределение уплотняющего усилия по всему объему уплотняемого материала [7-10].

Такого рода рабочие органы наиболее приемлемы при сооружении буровых свай глубокого заложения, особенно в фундаментах мостовых опор, где приходится сталкиваться преимущественно с обводненными скважинами.

Исследованиями, проведенными в ЦНИИС [11-13] установлено, что пространственный рабочий орган под действием гидравлического вибратора с регулируемыми параметрами создает в грунте (бетонной смеси) радиальное и вертикальное давление, распределенное по объему уплотняемого материала, за счет чего достигается максимальная плотность материала в полости скважины и одновременно уплотняется околосвайный грунт.

Одна из характерных особенностей такого метода в том, что одно и тоже технологическое оборудование позволяет решать две инженерные задачи — вибрирование укладываемой в скважину бетонной смеси и уплотнение околосвайного грунта [14]. Передача уплотняющего воздействия через бетонную смесь на стенки и забой скважины позволяет повысить сопротивление околосвайного грунта, что учитывается в действующих нормах введением соответствующих коэффициентов [15].

Проведенные сравнительные испытания песчаного основания, уплотненного глубинным объемным виброштампованием, показали существенное (в 1,5-5-2 раза) повышение несущей способности и снижение деформативности основания.

Для снижения опасности разрыхления и выпора грунта забоя буровых скважин при глубинном виброуплотнении в качестве пригруза может быть использован жесткий материал (щебень, гравий, жесткая бетонная смесь). При этом жесткий материал втрамбовывается в грунт забоя, образовывая в основании сваи уплотненный массив.

Большое количество исследований посвящено разработке технологии сооружения и изучению работы фундаментов, устраиваемых с втрамбовыванием жесткого материала в снование буровых и вытрамбованных (пробитых) скважин под набивные сваи. Преимущественно втрамбовывание производится либо тяжелыми трамбовками, либо виброштампами сплошного сечения. При этом в основании таких фундаментов образуется «уширение» из жесткого материала с зоной уплотненного грунта вокруг него. Улучшение прочностных и деформационных свойств грунта в уплотненной зоне позволяют значительно повысить несущую способность фундамента. Это, в свою очередь, ведет к сокращению длины или количества свай и, следовательно, к экономии материалов, трудозатрат и снижению стоимости работ. Подобные технологии применяются в основном при устройстве свай небольшой глубины заложения и отсутствии в скважинах воды.

В то же время, наиболее применимая и эффективная при устройстве буровых свай в обводненных скважинах технология втрамбовывания жесткого материала в грунт забоя с помощью пространственного виброштампа и особенности работы таких свай под нагрузкой изучены не достаточно. Представляет несомненный практический интерес совершенствование расчетного аппарата, позволяющего учитывать получаемый от применения технологии эффект.

Таким образом, диссертационная работа посвящена решению одной из актуальных задач мостостроения — повышению несущей способности и снижению ресурсоемкости свайных фундаментов.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии глубинного уплотнения основания буровых свай путем объемного вибровтрамбовывания жесткого материала в забой глубоких скважин, а также разработка инженерного метода расчета данных свай.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведены натурные исследования процесса вибротрамбования жесткого материала в основании скважин при сооружении опытных буронабивных свай мостовых фундаментов;

- экспериментально установлен характер деформирования грунтового основания в процессе виброуплотнения, характер распределения жесткого материала в грунте, форма и размеры получаемых уплотненных зон;

- оценен характер деформирования грунтового основания с втрамбованным пространственным виброштампом жестким материалом при действии статической нагрузки;

- разработаны предложения по совершенствованию технологии глубинного объемного виброуплотнения основания буровых скважин с втрамбовыванием жесткого материала;

- на основании экспериментальных данных разработана методика расчета несущей способности грунтового основания с втрамбованным жестким материалом.

Научная новизна работы:

- экспериментально определены закономерности распределения в грунте жесткого материала под воздействием пространственного виброштампа и формирования зоны уплотненного грунта в основании буровой скважины;

- оценено влияние вибровтрамбовывания жесткого материала в грунт забоя буровых скважин на несущую способность основания в различных грунтовых условиях;

- в результате теоретического моделирования с использованием экспериментальных данных определены коэффициенты условий работы при расчете несущей способности свай по грунту;

- получено теоретическое решение для определения размеров зон уплотнения вокруг буронабивных свай исходя из величины смещения границы скважины при динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.).

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований определены технические параметры процесса сооружения буровых свай с вибровтрамбовыванием жесткого материала в грунт забоя буровых скважин и технологические режимы работы оборудования, которые позволяют достигать повышения несущей способности, снижая влияние дополнительных операций на темпы сооружения буронабивных свай по традиционным технологиям.

Разработаны рекомендации по глубинному виброуплотнению грунта забоя буровых скважин и методика расчета несущей способности грунтового основания с втрамбованным жестким материалом.

Применение технологии и предложенной методики расчета позволяет повысить эффективность свайных фундаментов, за счет повышения несущей способности при одновременном снижении себестоимости выполняемых работ.

На защиту выносятся:

1. Закономерности распределения в грунте жесткого материала под воздействием пространственного виброштампа и формирования зоны уплотненного грунта.

2. Закономерности деформирования грунтового основания с втрамбованным пространственным виброштампом жестким материалом при действии статической нагрузки.

3. Инженерный метод расчета несущей способности буронабивных свай, устраиваемых с вибровтрамбовыванием жесткого материала в основание скважин.

4. Технические параметры и технологическая схема производства работ по глубинному виброуплотнению грунта забоя буровых скважин с втрамбовыванием жесткого материала.

Реализация работы. Уплотнение околосвайного грунта с применением технологии объемного вибротрамбования осуществлялось при сооружении буронабивных свай на строительстве нескольких объектов в и составе Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) и Третьего транспортного кольца в г. Москве. Результаты исследований и предложенная методика расчета использованы при проектировании и сооружении свайного фундамента опоры № 1 моста через канал им. Москвы на 66 км а/д Москва — Дмитров — Дубна у г. Яхромы.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на заседаниях секций Ученого совета ОАО ЦНИИС, научно-технических конференциях «Современные технологии строительства, реконструкции, ремонта и содержания искусственных сооружений на автомобильных дорогах» (г. Москва, Росавтодор, 2002 г.), «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (г. Москва, МИИТ, 2003 г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа содержит 145 страниц текста, 48 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 91 наименования и 3 приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенными теоретическими, лабораторными и натурными экспериментальными исследованиями установлены технологические параметры и механизмы процесса формирования новой структуры грунтового основания при втрамбовывании жесткого материала в грунт забоя буровых скважин пространственным виброштампом. Установлено также влияние технологического воздействия при сооружении фундамента на несущую способность грунтового основания.

1. Для проведения экспериментов на моделях создана лабораторная установка и разработана методика, которая позволила изучить процесс вибровтрамбовывания щебня в песчаные и глинистые грунты ниже забоя буровой скважины с использованием лабораторного виброоборудования, повторяющего все технологические особенности натурного комплекта. Примененный метод моделирования и лабораторная установка дают возможность проводить широкий круг исследований, направленных на изучение технологий устройства фундаментов, напряженно-деформированного состояния оснований и решение иных геотехнических задач.

2. В результате циклического погружения и извлечения виброштампа с досыпкой жесткого материала в грунте ниже забоя скважины формируется жесткое (щебеночное) «ядро» конусообразной формы. Вокруг щебеночного «ядра» образуется зона уплотненного грунта, имеющая форму усеченного эллипсоида вращения с максимальным диаметром в уровне среднего сечения «ядра». В проведенных опытах размеры уплотненных зон достигали 3,5dcKB в ширину и 4,0dcKB в глубину от забоя скважины.

3. Втрамбованный в грунт щебень является элементом искусственного основания и воспринимает нагрузку, приложенную к свае, совместно с окружающим грунтом. В процессе нагружения происходит перераспределение нагрузки пропорционально жесткости слагающих основание материалов. Основание с втрамбованным щебнем воспринимает нагрузку в 2-6 раз больше чем грунт естественного сложения. Проведенными испытаниями подтверждено, что по удельной несущей способности сваи со щебеночным «ядром» в основании приближаются к забивным сваям, а в более слабых грунтах превосходят их.

4. Определены наиболее рациональные режимы работы виброоборудования и последовательность технологических операций. Погружение и извлечение РО из грунта производится при частоте вращения дебалансов (п) 800-1200 об/мин. с амплитудой 3-5 мм, вибротрамбование щебня — при частоте 600-900 об/мин. с амплитудой 6-15 мм, а при вхождении в виброударный режим — до 25-30 мм. Принятые режимы вибровоздействия на грунт позволяют обеспечивать проектную несущую способность сваи в рамках стандартного цикла сооружения буронабивной сваи при минимизации энергетических затрат и увеличении ресурса работы оборудования. Разработаны рекомендации, регламентирующие технологический процесс производства работ по глубинному виброуплотнению основания буронабивных свай.

5. В результате теоретического моделирования, базирующегося на проведенных экспериментальных и натурных исследованиях, был разработан инженерный метод расчета несущей способности буронабивных свай, сооружаемых с глубинным виброуплотнением основания скважин втрамбовыванием жесткого материала. При расчете несущей способности буронабивных свай следует использовать значения расчетных сопротивлений грунта под нижним концом свай, сооружаемых с вытеснением грунта при введении коэффициента ycRi, учитывающего особенности совместной работы щебеночного «ядра» в основании сваи и окружающего уплотненного грунта.

6. Получено теоретическое решение для определения размеров зон уплотнения вокруг буронабивных свай исходя из величины смещения границы скважины при динамическом воздействии на укладываемый в скважину материал (щебень, бетонная смесь и т.п.) и характеристик оклосвайного грунта до и после уплотнения. Данное решение может быть использовано для определения минимального расстояния между сваями, при расчетах несущей способности и деформативности усиленных грунтовых оснований или иных расчетах свай данного типа, учитывающих наличие зон уплотненного грунта.

7. Вибровтрамбовывание жесткого материала в грунт основания скважин и виброштампование укладываемой смеси при бетонировании буровых свай позволяет повысить их суммарную несущую способность от 2 до 6 раз, и/или добиться адекватного снижения длины свай или их количества получить экономический эффект в размере 20-40% от стоимости буронабивной сваи.

1. Смирнов А.Ю. О способах повышения несущей способности песков в основании буровых свай и свай-оболочек. В кн. Исследование и применение безростверковых опор мостов. Сб. ЦНИИС, М.: Транспорт, 1988. — с. 74-76.

2. А.с. № 669012 СССР, МКИЗ Е 02d. Виброштамп для уплотнения бетонной смеси при формовании набивной сваи. В.И. Берман, Б.В. Бахолдин, Г.Д. Шпигель (СССР). Открытия. Изобретения, 1979. — № 23.

3. А.с. № 808602 СССР, МКИЗ Е 02d. Установка для подводного бетонирования. М.А. Колосов, Г.И. Прохоренко (СССР). Открытия. Изобретения, 1981. -№ 8.

4. А.с. № 876853 СССР, МКИЗ Е 02d. Устройство для уплотнения бетонной смеси. А.Ю. Ким, Е.М. Перлей, Г.А. Придигин (СССР). Открытия. Изобретения, 1981. — № 40.

5. А.с. № 903473 СССР, МКИЗ Е 02d. Способ возведения буровых свай. Г.Я. Вильчинский (СССР). Открытия. Изобретения, 1982. № 5.

6. А.с. № 958595 СССР, МКИЗ Е 02d. Способ изготовления буровых свай. Г.А. Скормин, В.М. Мамонов (СССР). Открытия. Изобретения, 1982. — № 34.

7. Зубков В.М., Ковалевский Е.Д., Анисимов А.М. Способ глубинного виброуплотнения песчаных оснований. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1983. — № 2, с. 6-7.

8. А.с. № 1158724 СССР, МКИЗ Е 02d. Глубинный вибровозбудитель. С.Г. Арутюнов и др. (СССР). Открытия. Изобретения, 1985. № 2.

9. А.с. № 1081279 СССР, МКИЗ Е 02d. Устройство для глубинного уплотнения и закрепления грунта. А.И. Котов (СССР). Открытия. Изобретения, 1984. — № 11.

10. Патент RU № 2139978, С1, 6 Е 02 D 15/04, 5/38. Установка для бетонирования набивных свай, 1998.

11. Отчет о выполнении экспериментальных исследований на лабораторных и технологических моделях: отчет о НИР ЦНИИС. Руководитель Смирнов А.Ю. ТОС-93-3-18. М., 1993. 39 с.

12. Отчет о результатах сооружения и испытания опытных свай в условиях строительства: отчет о НИР ЦНИИС. Руководитель Смирнов А.Ю. ТОС-93-3-18. М„ 1994.-31 с.

13. Провести исследования бетона эталонной сваи, изготовленной по технологии виброштампования: отчет о НИР ЦНИИС. Руководитель Кац К.М. СТК-95-022. М., 1996. 24 с.

14. МГСН 5.02-99. Проектирование городских мостовых сооружений. М., 2000. -101с.

15. Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. М.: Стройиздат, 1981. 543 с.

16. Временная инструкция по проектированию и устройству буровых свай с уплотненным основанием в песчаных грунтах. РСН 306-78. Киев: НИИСП, 1978.-15 с.

17. Романов Д.А., Романов В.Д. Упрочнение грунтов в основании буронабивных свай-опор. Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве. Материалы VIII Всесоюзного совещания. Киев: Буд1вельник, 1974, с. 344-345

18. Меклер М.Б. Набивные виброштампованные сваи. М.: Стройиздат, 1971. -32 с.

19. Совершенствование технологии изготовления набивных свай в пробитых скважинах с грунтовой пятой. Перспективы применения фундаментов в вытрамбованных котлованах: Тез. докл. научно-технической конф. 3-4 июля 1986 г. Пенза, 1986, с. 38-45.

20. Кох В.А. Создание навесного оборудования для устройства набивных свай в водонасыщенных грунтах методом уплотнения. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1989.

21. Методические рекомендации по проектированию и устройству буровых опор с корневидным основанием. Киев: НИИСП, 1979.

22. Захарченко В.А. Экспериментальное исследование несущей способности буровых свай с основанием, уплотненным коническим штампом. В кн.: Основания и фундаменты. Киев: Буд1вельник, 1978, вып. 11, с. 41 — 44.

23. Глотов Н.М., Силин К.С. Строительство фундаментов глубокого заложения. М.: Транспорт, 1975. — 432 с.

24. Тен И.А. Современные фундаменты глубокого заложения в автодорожных мостах. М.: Автотрансиздат, 1963.

25. Чиненков Ю.А. Исследование работы набивных свай в скважинах с уплотнением грунта на забое. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, М., 1982.

26. Кругов В.И., Багдасаров Ю.А., Рабинович И.Г. Фундаменты в вытрамбованных котлованах. М.: Стройиздат, 1985.

27. Рафальзук В. JI. Устройство фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. М., 1981.

28. Авазов Р. Р. Исследование работы фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием и разработка метода их расчета. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. М., 1981.

29. Рекомендации по проектированию и устройству буронабивных свай с уплотнением грунта в забое скважин. — М.: ПЭМ ВНИИИС Госсторя СССР, 1982.-25 с.

30. Григорян А.А., Хабибулин И.И. Экспериментальное исследование распределения напряжений в буронабивных сваях значительных размеров. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1980. — № 3, с. 11-13.

31. Дзагов A.M., Сидрочук В.Ф. О напряженном состоянии основания при устройстве и нагружении буронабивной сваи в глинистых грунтах. Основания, фундаменты и механика грунтов, 2002. -№ 3, с. 10-15.

32. Ковалев Ю.И. О процессах формирования и реализации сил трения по боковой поверхности одиночного фундамента в песчаных грунтах. Исследования несущей способности оснований фундаментов. Сб. ЦНИИС, вып. 56. М.: Транспорт, 1965. с. 99-104.

33. Петренко Г.М. Способ глубинного уплотнения основания буровых свай. Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве. Материалы VIII Всесоюзного совещания. Киев, Буд1вельник, 1974. — с. 332-334.

34. Гринько Е. В. Исследование коротких буроопускных свай с уплотнением в песчаных грунтах. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Киев, 1981.

35. Предложения по методам расчета и технологии уплотнения песчаных грунтов в основании оболочек: отчет о НИР ЦНИИС. Руководитель Н.М.Глотов. ИС-01-65. М., 1965. 131 с.

36. Карпинский В.И. Дудченко Н.П. О возможности повышения несущей способности оболочек в слабых грунтах. Транспортное строительство, 1985. -№6, с. 20.38. «Firsts» for US bridge Gordon Charles international construction, 1983, v. 22, №4, p. 19-23.

37. Смирнов А.Ю. Совершенствование технологии подводного бетонирования буровых свай мостовых фундаментов. Диссертация насоискание степени кандидата технических наук. М., 1997. — 145 с.

38. Смирнов А.Ю., Захаров О.В., Сальников Б.А. Моделирование глубинного виброуплотнения водонасыщенного песчаного основания буровых свай.

39. Метрострой №8,1989. с. 17-19.

40. Смирнов А.Ю., Захаров О.В., Бадеев А.Н. Выявление порового давления при виброуплотнении водонасыщенного песчаного основания на моделях буровых свай. Метрострой №8, 1989. — с.15-17.

41. Лобасов П.Д. Глубинное уплотнение песчаных оснований под водой. Новые способы и вибрационное оборудование для производства специальных земляных работ. Л.: ВНИИГС, 1961.

42. Беленький С.Б., Дикман Л.Г., Косоруков И.И. и др. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Учеб. пособие для строительных вузов. — М.: Высшая школа, 1983. 328 с.

43. Крицберг Л.В., Ходоров И.В., Смирнов А.Ю. Применение грунтовых свай для усиления слабых оснований. «Строительная техника и технологии», №. 2. М: ООО «Медиа Глоб», 2004. с. 66-69.

44. Сеськов В.Е., Лях В.Н. Сваи из щебня и гравия в вытрамбованных скважинах для строительства в условиях БССР. Обзорная информация. Минск: БелНИИНТИ, 1991. 48 с.

45. Рекламный проспект фирмы Bauer GmbH.47. www.haywardbaker.com Интернет сайт компании Hayward Baker.48. www.vibroflotation.com Интернет сайт Vibroflotation Group.

46. Абраменков Э.А., Грузин В.В. Средства механизации для подготовки оснований и устройства фундаментов. Новосибирск: НГАСУ, 1999. — 215с.

47. Сорочан Е.А., Глухов B.C. и др. Усиление неустойчивых оснований сулучшением строительных свойств. Тез. докл. конф. «Устройство и усиление фундаментов с улучшением строительных свойств фунтов оснований» 23-26 сент. 1991 г. Пенза, 1991. 130 с.

48. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. Госстрой СССР. М.: ЦНТП Госстроя СССР, 1986.-48 с.

49. Рекомендации по расчету набивных свай. Научн.-исслед. ин-т строит, пр-ва Госстроя УССР, Киев, 1967. 10 с.

50. РСН 21-86. Проектирование и устройство фундаментов из свай с выштампованным основанием. — Мн.: Госстрой БССР, 1986. — 102 с.

51. Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов в пробитых скважинах. ЦНИИС, М., 1987. 30 с.

52. Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах. М.: Стройиздат, 1981. — 56 с.

53. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений. JL: Госстройиздат, 1970.

54. Руководство по проектированию свайных фундаментов М.: Стройиздат, 1980.-151 с.

55. Ухов С.Б. Расчет сооружений и оснований методом конечных элементов. М.: МИСИ, 1973.

56. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. — 221 с.

57. Мурзенко Ю.Н., Моргунов В.Н. Автоматизированное проектирование и вопросы оптимизации на ПЭВМ фундаментов в вытрамбованных котлованах. Эффективные фундаменты, сооружаемые без выемки фунта.

58. Сб. докл. Республ. науч.-техн. конф. Полтава, 1991. с. 190-196.

59. Беда С.В., Гергель А.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния фундаментов, сооружаемых без выемки грунта. Труды V международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. Том 1. М., 1996. с. 17-21.

60. Бугров А.К., Мишаков В.А. Напряженно-деформированное состояние основания, усиленного песчаными сваями с уширением из втрамбованного щебня. Труды VI международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. Том 2, раздел 3. М., 1998. с.52-56.

61. Панин И.А., Крицберг JI.B., Смирнов А.Ю. Совершенствование технологии укладки бетонной смеси при сооружении фундаментов и других конструкций из бетона и железобетона. Труды ЦНИИС, вып. 209. М., 2002. с. 45-58.

62. ГОСТ 5686-94. Сваи, методы полевых испытаний.

63. Руководство по методам полевых испытаний несущей способности свай и грунтов. ЦНИИС. М., 1979.

64. Ходоров И.В., Виноградов О.В Опыт устройства основания укрепленного щебеночными сваями при строительстве железнодорожной насыпилевобережного подхода к Андреевскому мосту. Труды ЦНИИС, вып. 205. М., 2001. с. 117-122.

65. Малышев М.В. Теоретические и экспериментальные исследования несущей способности песчаного основания. М.: ВОДГЕО, 1953.

66. Ремизников В.К. Новый метод исследования деформаций грунтов и некоторые его практические приложения. Известия ВНИИГ им. Веденеева, т.36. Ленинград Москва: Госэнергоиздат, 1948.

67. Пилягин А.В., Шукенбаев А.Б. Рентгенографический метод исследования деформаций оснований модельных свайных фундаментов. Труды V международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. Т.1.М.: 1996.-с. 137-141.

68. Ходоров И.В., Виноградов О.В. Методика лабораторных исследований процесса объемного виброштампования жесткого материала в основании буронабивной сваи. Труды ЦНИИС, вып. 216. М., 2003. с. 58-64.

69. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Статистика, 1969.

70. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. — 184 с.

71. Дидух Б.И., Каспэ И.Б. Практическое применение методов размерностей и подобия в инженерно-строительных расчетах. М.: Стройиздат, 1975. — 47 с.

72. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керров И.П. Машины для земляных работ. Учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1975. — 424 с.

73. Паспорт статического плотномера конструкции Ml 11 «Кондор» СПГ-1. Санкт-Петербург, 1996.

74. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

75. ГОСТ 12248-95. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

76. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.

77. Березанцев В.Г., Ярошенко В.А., Прокопович А.Г., Разоренов И.Ф. Сидоров Н.Н. Исследование прочности песчаных оснований. Труды ЦНИИС, вып. 28. М.: Трансжелдориздат, 1958. 140 с.

78. Ходоров И.В. Результаты экспериментальных исследований процесса объемного виброштампования жесткого материала в основании буронабивной сваи. Труды ЦНИИС, вып. 220. М., 2004.

79. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. Госстрой России. — М.: ГУЛ ЦПП, 1999.-48 с.

80. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. Госстрой России. — М.: ГУП ЦПП, 1997.

81. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. — М.: Высшая школа, 1968.

82. Статистические методы обработки эмпирических данных. Рекомендации. -М.: Госстандарт, 1978. 232 с.

83. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов. — М.: Высшая школа, 1988. — 239 с.

84. Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов. — М.: Стройиздат, 1994.

85. Голубков В.Н. Вопросы исследования свайных фундаментов и проектирования по деформациям. Дисс. д-р техн. наук. — Одесса, 1968.

86. Рис. А. 1. Показания датчика Д1 при частоте вращения 720 об/мин. (12 Гц)

87. Рис. А. 2. Показания датчика Д1 при частоте вращения 900 об/мин. (15 Гц)1. Амп uiumvda. мм h-rrt ti—

88. N Ыщ —rm— МЦ1 iliMl йн! 1А jflfiflfP liNi А, .Ш ) V1 *Ji M—г- Ч-FfF mnF— ЧЛ—J- 1ЦГ VIJH ■ V1II" -Ц.у | 1. Время сек

89. Рис. А.З. Показания датчика Д1 при частоте вращения 1200 об/мин. (20 Гц)