автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Буроинъекционное упрочнение оснований зданий и сооружений при реконструкциях

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ _АКАДЕМИЯ__

ггг~оГ

УДК 624.154.3.046:624.138.24

/ о ИЮЛ 1998

МОХАММАД Хелло Муса

БУРОИНЪЕКЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИЯХ

05.23.02 - Основания и фундаменты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, доцент М.И. Никитенко. доктор технических наук, профессор И.А.Кудрявцев' кандидат технических наук, доцент

А.П. Кремнев.

Оппонирующая организация - БелНИИС.

Зашита состоится ШСКй 1998 г. в

/Ч

Ш

.часов

На заседании совета по защите диссертаций Д.02.05.09 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, пр. Ф.-Скорины, 65, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан & 1998 г.

Учёный секретарь совета

по защите диссертаций Е.М.Сидорович

к.т.н., доцент

© Мохаммад Х.М., 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Реконструкция является одшш из магистральных направлений в области строительства. Ее объемы неуклонно возрастают. По свое!Г специфике проектирование и проведение работ при реконструкции существенно отличаются от процесса создания новых зданий и сооружений, что обусловливает необходимость разработай и внедрения новых эффективных конструктивных и технологических решений.

Реконструкция зданий и сооружений - это их переустройство с целью частичного или полного изменения функционального назначения, установки нового эффективного оборудования, улучшения застройки территорий. Она является частью общей реконструкции производственных предприятий или городского районного жилого массива, комплекса социально-бытовых, культурных учреждений.

Переустройство включает перепланировку и увеличение высоты поме-щеиий, усиление, частичную разборку и замену конструкции, а также надстройку, пристройку и улучшение фасадов зданий.

, Поиск и разработка новых конструктивных и технологических решений упрочнения основании зданий, и сооружений в различных грунтовых условиях должны базироваться на достаточно точном определен™ несущей способности оснований и фундаментов реконструируемых зданий.

Связь работы. Работа связана с "Программой технического нормирования стандартизации Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь" по блоку 5.01 " Основания и фундаменты зданий и сооружений (Часть 1. Строительные нормы РБ - СНБ 5.01.05 "Основания и фундаменты зданий и сооружений"; Часть 2. Пособие к строительным нормам "Геотехнические реконструкции оснований и фундаментов зданий и сооружений"), а также с темой НИР № ФН/97 Министерства архитектуры и строительства РБ "Провести исследования и разработать научные основы и технологию упрочнения оснований при геотехнических реконструкциях".

Целью диссертационной работы является выявление эффективных конструктивных и технологических схем инъекционного упрочнения грунтов в основаниях реконструируемых зданий и сооружений и осуществление прогноза изменения их несущей способности.

В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи исследований:

— определение опытным путем распределение плотностей и влажностей в песчаных и глинистых грунтах вокруг расширяющейся скважины при воздействии обусловленных инъекцией фильтрационных сип и при их отсутствии;

— изучите условий возникновения конташной фильтрации и гидроразрывов в грунтах при инъекции цементного раствора в скважины;

— усгановишж изменчивости деформационных и прочностных характеристик грунтом при их инъекционной опрессовке;

— выявление эффективности различных конструктивных и технологических схем инъекционного упрочнении грунтов в основаниях, фундаментов;

— разработка расчетных зависимостей и предложения по определению несущей способности упрочненных инъекцией грунтовых основашш.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней автором впервые на физических моделях исследованы зоны уплотнения и разуплотнения песчаных и глинистых грунтов вокруг скважин за счет пневматической и инъекционной о прессовки; выявлены особенности шменешш прочпостьк и де-формагнвных характеристик глшшстых грантов при различных их со-стошшях по плотности и влажности в соответствующих зонах опрессовки вокруг расширяющихся скважин; на базе опытных данных предложены рекомендации по совдлпенствовашпо технолопгческих приемов инъекции при усилении фундаментов и упрочнении их основашш с учетом дренирующих свойств грунтов и повышенного водоцементного отношения закачиваемых растворов; исходя из результатов экспериментальных исследований уточнены расчетные схемы и предложены способы расчета несущей способности упрочненных инъекцией оснований.

Практическая значимость работы определяется широким кругом приложения рассмотренных задач при геотехшшескцх реконструкциях с использованием буроинъекционной технологии. Использование рекомендаций по совершенствованию приемов инъекции и предложенные расчетные зависимости позволят реализовать основную цель дассертациощсых исследований по совершенствованию и повышению эффективности конструктивных и технологических схем инъекционного упрочнения грунтов в основаниях реконструируемых зданий и сооружений, а также прогнозированию изменения их деформативности и несущей способности.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при геотехнических реконструкциях четыре* объектов в Минске, Гродно, Несвиже, Копыле. За счет цементационного упрочнения основашш и усиления существующих фундаментов при по..ющи буроинъекционных свай удалось ускорить строительные работы нулевого цикла на первом объекте, предотвратить аварийное состояние жилого дома во втором случае, избежать необходимости возведения нового здания котельной, обеспечив возможность нормальной эксплуатации деформированного существующего, и обеспечить сохранность архитектурного памятника XVIII века в третьем случае. При этом в последнем случае были ускорены геотехнические работы, причем их удалось выполнить, избежав трудоемких ручных процессов при расположении сетей высоковольтных кабелей и водопровода в непо-

средствешюи близости от здания. Результаты исследовании нашли отражение п курсовых и дипломных проектах студентов, принимавших участие при проведении лабораторных и полевых опытных работ.

Экоиом1пес1«ш значимость получашых результатов выражается в снижении трудозатрат, стоимости и расхода материалов, а также применении более безопасных приемов производства работ по сравнению с традиционными решениями реконструкции оснований и фундаментов. Параллельно решаются вопросы охраны окружающей среды, поскольку исключаются большие раскопки и разборки конструкций в условиях действующих предприятий и стесненной городской застройки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

— экспериментальные данные о распределении плотностей и влажностей в сыпучих и связных грунтах вокруг расширяющейся скважнны при воздействии обусловленных инъекцией фильтрационных сил и при их отсутствии;

— опытные данные о возшшювешш контактной фильтрации и гидро-разрьшов в грунтах при инъекции цементного раствора в скважины;

—. выявленные экспериментально зависимости изменений деформационных и прочностных характеристик глинистых грунтов при различных их состояниях по плотности и влажности в соответствующих зонах олрессов-ки при тгьекции цементного раствора в скважнны;

— предлагаемые рекомендации по совершенствованию технологических приемов инъекции при усилении фундаментов и упрочнении их оснований с учетом фильтрационных свойств грунтов и Повышенного водоцементно-го отношения закач!шаемых цементных растворов;

— разработанные расчетные зависимости по определению несущей способности упрочненных инъекцией грунтовых оснований.

Личный вклад соискателя в разработку положении, изложенных в дне-сертащш, н получение результатов выразился:

— в проведенном им анализе литературных источников по вопросам усиления фундаментов и упрочнения оснований;

— в выполненных им оригинальных экспернмеипгальных исследованиях изменчивости свойств грунтов в зоне цх шгъекционного упрочнения цементацией;

— в натурных и м&чомасштабных опытах по определению деформа-пшностн и несущей способности оснований фундаментов при их Инъекционном упрочнении. В натурных орьггах принимал участие совместно с научным руководителем и сотрудниками ка([>едры;

— в разработке предложений па совершенствованию техцолрпш инъекции цементного раствора в буровые скважииц при упрочнении грунтов основа1шя с учетом цх фильтрационных свойств;

— в обосновании расчетных моделей и разработке способ» расчета ,

несущей способности упрочненных бурошгъекционшлми сваями оснований реконструируемых фундаментов.

Апробация результатов исследовании. Материалы исследований заслушивались на заседаниях кафедры "Геотехника и экология в строительстве", докладывались и получили одобрение на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Белорусской государственной политехнической акадешш (1996 г.), а также на Международной'конфе-решдшпо фундаментостроеншо (Брно, 1994 г.).

Опубликовашоаъ результатов. Основные положи сия были опубликованы в журнале "Архитектура и строительство Беларуси" (Минск, 1994, № 5-6), а также в сборниках докладов международных конференции "Механика - 95" (г.Минск,1995 г.) и "Фуццаментостроение - Брно " (г. Брно, 1994 г.).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 76 наименовании, двух приложений. Объем Диссертащш 196 стращщ, из mix 100 страницы машинописного текста, 36 таблиц, 75 рисунков и 39 страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертащш, сформулированы цель и задачи исследования, даны общие характеристики работы.

В первой главе проведён анализ исследований по усилению фундаментов и упрочнению оснований, которые нации отражение в работах Абелева М.Ю., БарЛюва H.H., Ганичева И.А., Далматова Б.И., Зурнаджи В.А., Иванова ПЛ., Коновалова ПЛ., Маслова H.H., Никитенко М.И., Петрика П.М., Ройгмана А.Г., Соболевского Ю.А., Соболевского Д.Ю., Смородиаова М.И., Смоленского Н.Г., Соколовича В.Е., Трасника А., Филатова М.П., Цьповича H.A., Шведова Г.И., Швеца В.Б., Шчоссера Ф и многих друтах.

Рассмотрены следующие вопросы:

- Причины необходимости реконструкции с усилением фундаментов.

- Усиление основании и фундаментов с передачей нагрузки на грунт через дополщггельные конструктивные элементы.

- Уплотнение грунтов (укатка, трамбование, виброуплотнение при водопо-нижении, включая дренирование).

- Упрочнение грунтов основания (силикатизация, смолизация, термическое •закрепление, армирование, цементация).

- Сравнительный анализ существующих способов усиления фундаментов и упрочнения оснований. Выявлено, что в большинстве случаев буроинъек-ционное упрочнение грунтов оснований и пересадки существующих фундаментов на буроинъекционные сваи оказываются более целесообразными

по срапнсшно с'другими способами и осуществимы в любых грунтовых условиях. Зарубежны» и отечественный опыт свидетельствует о перспективности применения буроиньекционной технологии упрочнения rpyirroB оснований реконструируемых зданий.

- Техно логические и конструктивные схемы буроинъекшгонного упрочне-ши грунтов оснований. Доказано, что в оплывающих глинистых и осыпающихся песчаных грунтах целесообразно принимать технологию фирмы 'Барр', а в неустойчивых грунтах - технологию фирмы 'Солетанш', с многократным нагнетанием- цементного раствора через манжетные трубки.

- Исследования свойств грунтов оснований, обследование оснований и фундаментов.

- Изучение 'процессов инъекционного, цементационного упрочнения грунтов. Установлено, что при нагнетании цементного раствора под давлением в скважины происходит их расширение за счет деформаций уплотнения окружающего грунта, у которого повышается при этом сопротивление сдвигу и сшшается сжимаемость. При инъекции цеменпгого раствора в скважину грунт спрессовывается по дайне образующегося ствола сваи как в связных, так и несвязных грунтах, но больше всего опрессовка происходит у нижнего конца сваи.

- Оценка деформативности и несущей способности оснований и фундамаггов с учетом шгьекционного 'упрочнения. Несущая способность буройгьекцнон!ibix свай в большинстве случаев определяется контаюгным сопротивлением грунта сдвигу по боковой поверхности их стволов. Расчет свай производится в этом случае по первой группе предельных состоянии. Этот- посвящены работы Litlle Joiin G(/Hanna Т., Robinson К.., Moller P., Widing S., Schnabel G„ Нигаггенко M. И., Соболевского Ю. А., Соболевского Д.Ю., и др. На основании проведенного анализа сформулированы цели ц задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены результат^ лабораторных исследований изменчивости свойств грунтов в зоне их инъекционного упрочнения цементацией.

Описаны методика и программа исследований, а также специальная методика обработки результатов испытаний, изложены Принципы моделирования условии инъекции цементного раствора в буровые скважины.

Изучена изменчивость свойств грунтов ( сыпучего различной плотности, связного различной влажности) вокруг фрагмента расширяющейся скважины.

Лабораторные исследования по изучению изменения плотности rpyirra вокруг расширяющейся скважины направлены на выявление качественной картины характера уплотнения, выявление рыхлых зон и изменения плотности и влажности грунта на различных расстояниях от стенок скважины.

Программой исследований предусмотрено выполнение 16 лабораторных опытов в специальном лотке (рис.1) дня песчаных и глинистых грунтов с учётом пневморасширения стен скважины, а также под Действием фильтрационных сил при инъекции цементного раствора. Анализ этих опытов указывает на неравномерный характер уплотнения груота на различных расстояниях от стен скважины, наличие зон разуплотнения и зон пониженной пло тости (рис.2,3,4).

Рис.2. Графики изменения плотности грунта вокруг скважины, при пневматическом расширении в абсолютных величинах, а- в песчаном грунте; б- в глинистом грунте.

Рис.1 Схема опытной установки для определения плотностей и влажностеи при расширении скважины.

1- эластичный цилиндр; 2-" антифрикционные прокладки; 3-исследуемый грунт, 4- боковые стенки; 5- крепление; 6- марки; 7- крышка; 8-днище; 9- ппуцф с золотником; 10-манометр; 11-воздуховод.

12 16 20 74 2 8Я,г;-СМ

19 18

17

16

15 21

20

19

18

17

т» 1 -Ил ' Ё 1 11-Ш ф

I 14 I1! ) - I {! 'М /и ШдЕжЯЛ. щ 1 ТТ ч

1

го 1 п 1

1 1 1 ш тер I

1 т 1

в 12

20

28 Я,г; см

Хкн/^ 16' 1 \

. Ко I I 16 *>

15"

I Ч ■

} Щж т 1 1 Р

1 15

8 12 16 20 & 28 Я, г ¡см

Рис 4 Графики изменения влажности фунта вокруг скважины Рис.3 Графики изменения плотности п™

Г"^мГ°МРаСШНРСИИИ- вокруг скважины при шп^юшоннолГ

Опыты №11-й в песчаном грунте, опыты №15.16 в расширении в абсолютных величинах,

глинистом грунте. „ „ „ _

а"в песчаном грунте; б-в глинистом грунте.

Эхо обстоятельство является существенно важным, поскольку различными авторами трактуется по-разному. Одни авторы принимают изменение тиотноста по треугольной эпюре, другие — в виде кривой. Наличие зон разуплотнения никем не упоминается. Характерным является повышение плотности при инъекции цементного раствора по сравнению с пневмо-обжатием. Зоны разуплотнения грунта наблюдаются только при пневмо-обжатии стен скважины. При инъекции раствора они превращаются в зоны пониженной плотности. Рыхлые зоны и зоны пониженной плотности установлены в непосредственной близости от стен расширяющейся скважины. На контакте скважины и цементного слоя зафиксировано максимальное значаще'плотности. Нарастание плотности происходят до некоторой (критической) величины, после чего происходит её снижение при дальнейшем расширении стенок скважины. Наличие слоя с пониженной плотностью наблюдалось во всех опытах.

Описана физическая супщость явления разуплотнехшя грунта вокруг расширяющейся скважины . , .

Задача распределения напряжений вокруг расширяющейся скважины рассмотрена исхода из принципа обжатия внутренним давлением толстостенного цилиндра, наружная стена которого находится вне активной деформируемой зоны.

При постепенном нарастании давления Р внутри скважины вокруг неё возникают сжимающие радиальные аг и тангенцальные растягивающие напряжения 01 ..Максимальная величина растягивающих напряжений - у стенок скважины, по мере удаления от скважины они уменьшаются.

Распределение напряжений при расширении скважины в упругой стадии приведено на рис.5., и описывается уравнениями:

а .^0-4) 0)

г * - '

Ра2 (1- £

Ра2' (1 + £

2 2 в -а

* -)

где а - начальный радиус скважины;

в - радиус уширения скважщпл;

г - текущий радиус.

Сравнение выражений (1) и (2) указывает на то, что растягшающие напряжения по абсолютной величине больше внутреннего давления Р и приближаются к величине последнего по мере увеличения в.

Касательное напряжение достигает максимума у внутренней поверхности цилиндра, где оно равно

<7 -(Г рв 2

Тма*--- ~ ~~2 2 Р)

2 в - а

при в=п+8,

где — толщина слоя обжатия. Тогда

.{а + Я^+а2 „ 2 а2

СЛ<г=ч)=Р--, ОП(г=,)=Р-

8{2а + д) 8{2а + 8)

При малом значении 5

СГКг=я))й!СТ1(г=,)=Р^ . (4)

При в-ух,, т.е. когда стены скважины имеют бесконечно большую толщину, выражения (1) н (2) примут вид

СТг,1=±Р— - (5)

г

Это значит, что стг,= т в любой точке и все они вокруг скважины находятся в состоянии чистого сдвига. И это оказывает решающее значениена возникновение зон разуплотнения грунта, поскольку грунты растягивающие напряжения воспринимать не могут за пределами структурной прочности. Распределение напряжений у стены расширяющееся' скважины получается из условия

и —<т (¡а

-4-~ — х,\(У —су —г—^ = 0 (6)

2 :' * ' Ф

Разуплотнение грунта происходит в основном из-за растягивающих тангенциальных напряжений, значения которых по величине значительно больше радиальных. Расчётная схема уплотнения грунта вокруг расширяющейся скважины представлена на рис.6. Она отличается от всех известных тем, что в ней имеет место наличие переходного слоя (зоны) пониженной прочности между пластической и упругой областями. Это даёт основание считать, что несущая способность по боковой поверхности сваи по традиционным методам расчёта завышена, поскольку не учитывается слой (зона) грунта с пониженной плотностью, непосредственно прилегающий к боковой поверхности сваи или анкера. Наличие разуплотнённого слоя или слоя пониженной плотности требует уточнения методов расчёта и технологии выполнения инъекционного упрочнения грунтов.

Исходя го выявленных результатов опытов сделаны предложения по совершенствованию технологии инъекционного упрочнения грунтов основания.-

£|г.о)»Р -р^т-

Рис. 5 Распределение напряжений при

расширении скважины в упругой стадии.

Рис.6 Расйткм схема уплотняю груша вокрут рааинряощейс* скважины.

Они в первую очередь должны быть направлены на устранение или уменьшение рыхлой зоны или зоны пониженной плотности. Важную роль при ущирешш Ствола за счёт инъекции в скважины имеет толщина слоя обжатия. При плавном нарастании Давления и малой толщине обжатого слоя распределение тангенцальных напряжений происходит равномерно по сжимаемой толщине. Если после вовлечения грунта по контуру скважины в состояние предельного равновесия Мы устраним внутреннее давление ца некоторое время, то в ней возникают разгружающие напряжения противоположного знака. При повторной закачке раствора из-за пластических деформаций возникают значительные сжимающие тангенцальные напряжения, которые накладываются на остаточные напряжения, и смещение пластической зоны происходит в направлении радиуса скважины. Благодаря циклической закачке.раствора с 1ф$тковременными перерывами 5-10 мин. достигается более равномерное распределение уплотняемого слоя вокруг расширяющейся скважины. При назначении диаметра уширения скважины необходимо исходил, из первоначальной плотности грунта у«ач и относительного расширенияслоя грунта вокругскважины

• (7)

' г.

где г—начальный радиус скважины; и — увеличение радиуса при инъекции.

Проведёнными опытами установлено, что граница сжимаемой толщи с учетом пластических деформацийрасположена на расстоянии 5г от цешра скважшпл, где напряжения составляют всего лишь 1/25 от максимальных. Это значит, что уплотнение грунта за пределами данной зоны происходить не будет. С учётом вышесказанного и используя выражение

2 2 R -г

Уоб*=ушч—---(8)

Rf",

где г, R—радиусы до загружения;

ri, Ri—радиусы обжатого кольца после за|ружения.

Плотность грунта вокруг расширяющейся скважины можно определить по формуле

24г2

Гойж=ушч-г-г- (9)

25г -(г+ «)

Пояснения к формуле (9) приведены на рис.7.

Использование выражения (9) позволит производить вычисления плот* носш обжимаемого слоя по контакту скважины с грунтом и величину уширения начального диаметр скважины. Следует иметь в визу, что максимальная критическая плотность грунта ограничена определёнными пределами, после чего происходит процесс его разуплотнения в ходе дальнейшего расширения скважины.

Проведено сравнение опытных данных с теоретическими, которое показало, чго средняя погрешность составляет 3,63 % Это свидетельствует о хорошей сходимости результатов испытаний с теоретическим подсчётом по формуле (9). Среднее значите плотности в пределах сжимаемой толщи вокруг расширяющейся скважины можно определить следующим образом. Исходя из проведенных опытов установлено, что распределение плотности в деформируемой толще изменяется по кривой, показанной на рис. 8. На расстоянии г+u от центра скважины у её стенки максимальная плотность равна ушх, а на расстоянии 5г она равна ун»ч.

Для упрощения* подсчётов уФ, криволинейную поверхность с достаточной мерой приближенности заменяем на треугольную. Тогда

Уф обж- — (/облш—Укач)+Ушч (10)

з

Сравнение результатов yq,, показанное на рис.2 и определённое по формуле (10) показало, что сходимость результатов обеспечивается.

5Г

«рчш ркпимим ' лктжт»

на

я

Рис.7 Пояснение к формуле (9 )

Рис.8 Расчетная схема деформируемой толщн вокруг расширяющейся скважины.

В третьей главе даны эксперимеоталысые исследования на моделях н в натуре деформатлвности и несущей способности оснований и фундаментов >Т1рочнёш1ЫХ цементацией.

Изложены программа и методика исследований. Проведены следующие испытания:

- Испытания на моделях упрочнения грунтов под подошвами фундаментов прн.шгьекцнп с. двух их сторон в наклонные скважины. В данных опытах принимались для сопоставления три возможных вариата усиления основания: сваями вертикальными, расположештши под штампом; сваями пронизывающими под углами 30° к вертикали, расходясь в стороны от штампа в диагональных направлениях; а также сваями под тем же наклоном к вертикали, но располагаемыми по сторонам штампа и пересекающимися под ним. При использовании схемы у силения основания фундамента сваями с пересечением под его подошвой достигается наибольший эффект. При этом по сравнению со схемой при вертикальных сваях усиления несущая способность увеличивается примерно в даа раза. В то же время при одинаковых вдавливающих усилиях осадки.снижаются.в 6-7 раз/причём деформативность приближается к хрупкому характеру с минимальным диапазоном между усилиями от фазы уплотнения к фазе потери устойчивости. Выполнены также исследования на моделях по инъекционному упрочнению песчаного и глинистого грунта за счёт закачки раствора непосредственно под подошвы ленточных фундаментов При этом за счёт о прессовки как песчаные, так и глинистые грунты под подошвами ленточных фун-

даментов повышают свою несущую способность со снижением деформа-тивности. В линейной фазе изменения осадок увеличите нагрузок на модели фундаментов достигает в песке 2,2-2,5 раза, а предельных их значений примерно 1,3-1,5 раза. В глинистом грунте практически во всём диапазоне осадок прикладываемые нагрузки увеличивают за счёт инъекций под подошвы фундаментов примерно в 1,8-2 раза.

- Испытания на моделях роли упрочнения грунтов под подошвами ленточных фундамагтов при шгьекции с одной их стороны в наклошше скважины. Для усиления моделей ленточных фундаментов скважины имели наклон к вертикали 30° и 45°. В этих опытах выявлено малое влияние угла наклона скважин в диапазоне от 30° до 45° при инъекционном упрочнении ipyina под фундаментами. Основное внимание при такого рода упрочнении грунта в основании фундамента следует обращать на pa3Mq>hi самого фундамента (ширину и глубин}' его заложения от поверхности) и уровень расположения несущего слоя ipyirra под подошвой.

- Сопоставление испытаний одиночных свай с инъекционным упрочнением грунта под их нижними концами и без упрочнения.

Оценивали изменчивость несутцей способности и деформативности основания от длин (50 и 60 см) и диаметров (4,0 и 4,5 см) заливных моделей свай. Во второй серии такие же модели свай имели инъекционную опрес-совку грунта под их шшшшн концами с уширеннями порядка 4,5 и 5,0 см. Установлено, что в глинистом грунте при увеличении длин и диаметров как у заливных, так и у инъекционных моделей сван возрастает несущая способность. Выявлен болышгй вффект от опрессовкц грунта под пятой модели в сравнетш с простым \величеннем её диаметра при заливке.

- Испытания буронабивных и буроинъекцнонных свай в натурных условиях. Испытания натурных набивных свай с шгьекционной опрессовкой песчаного (средней крупности и плотности) грунта под их нижними концами были выполнены на площадке строительства супермаркета в г. Минске. На данной площадке были устроены три опытные сваи с диаметрами стволов 250 мм и длинами по 3,0 м с армированием ствола по центру стержнями диаметром 32 мм класса А III. Опыты выявили существенное снижение несущей способности в двух сваях при наличии шлама в забое скважины, помимо этого были проведены четыре опыта с бурошгьекцион-ными сваями с диаметром стволов 135 и 250 мм и длинах по 7,5 м и 4,5 м при усилении существующих фундаментов реконструируемого здания. Здесь также выявлен э<|>фект инъекционного упрочнения грунтов в основании свай, которые снижали при отсутствии уплотнения шлама в забое скважины. Сваи устраивались в супеси пвлеватой твёрдой консистенции и

песке средней крупности и плотности (№ 4-7), а также в супеси моренной пластичной консистенции.

- Исследования сжимаемости и контактной сопротивляемости сдвигу грунтов. Сжимаемость грунта изучалась при различных значениях коэффициентов пористости, и переменных влажностях путём компрессионных испытаний образцов грунта, а также при загружении грунта штампом того же размера в емкости увеличенного объема. Для оценки изменчивости прочностных свойств супеси пылеватой от ее влажности проведены стандартные испытания такого грунта без его предварительного обжатия с различными плотностями в приборе прямого сдвига. Результаты этих испытаний показывают, что значения сцеплений и углов внутреннего трения у супеси при различных начальных коэффициентах пористости сильно уменьшаются с увеличениями влажности. Помимо этого в дополнение к уже имеющимся исследованиям контактной сопротивляемости супеси мо-решюй по боковым поверхностям свай с учетом и без учета инъекционной опрессовкн бьшо проведено две серии испытаний в приборе вращательного сдвига конструкции Никигенко М.И. - Соболевского Д.Ю., в котором моделировались условия взаимодействия цилиндрических фрагментов буро-иньекционных свай и анкеров с грунтами, учитывая изменчивость свойств последних в контактной зоне при штьекционной опрессовке.

В четвёртой главе даны предложения по расчёту несущей способности упрочнённых мтьегашей оснований, показана эффективность исследований.

- Изложена задача о буроииъекционном упрочнении груша вокруг расширяющейся скважины.

- Предложен приближённый способ определения тшастичеосой и упругой зон вокруг расширяющейся скважины, на базе проведённых экспериментов.

- Разработано определение несущей способности упрочнённых инъекцией грунтовых систем. Изменение давления обжатия ствола сваи во времени до его конечного значения р' можно определил,, используя коэффициент релаксащш \|> в соответствии с зависимостями, получешшми Ф.К. Лапшиным

Р' = Ч'Р (И)

О + РКРн'Ро) ._- „■

где у = —! -- (12)

О - ' Ет I Рн 0 + И) -Ро 1 + 0 + АХл, ~ Ро)

(Ю/2

(p.+cCtg<p)-cC(g<p (13)

Р =

Ар.(\-Ц1)-2р{){\г Ц)

Величина найденного давления не зависит от диаметра скважины. Впервые к этому выводу пришел К.Терцага, применив дал определения напряженного состояния уплотненной грунтовой оболочки решение Ламе.

Е

К =-=--(14)

представим ее в виде:

р = КС (рн+с С^ф) - с С^ф. (15)

Подставим в (11) значения «с по (12) и с учетом (13) и (14) получим:

^ 2{1+м)^'Рй)кй[41^)/2(рн (16)

У"Р

Умножая это значение на коэффициент трения между стволом сваи и грунтом, можно оценить сопротивление сдвигу на боковой поверхности сваи, т.е.

Г=рЧд«р-+с,' • (17)

где р' находится с учетом релаксации.

При известном удельном сопротивлешш сдвигу на боковой поверхности (площадью Аь) для заданных размеров (диаметра и длины) ствола буро-иньекцнонной сваи можно определить суммарное сдвигающее усилие вдоль него Рь, которое в решающей мере и определяет несутцую способность такой сваи по грунту

Я=Г-Аь (18)

Однако следует учитывать и сопротивление сжатию, возникающее под нижщщ концом сваи.

При известной опорной площади уширеипя под нижним конном ствола М несложно вычислить и соответствующую долю сопротивления сжатию Р5 в общей несущей способности сваи.

Воспользовавшись формулой Буссинеска для круглого штампа, нетрудно из нее определить величину нагрузкина него (в нашем случае на пяту сваи):

Е.З.О/(Г-ц2); (19)

где Из - нагрузка на нижний конец сваи (общее сопротивление сжатию), кН;

Ё - модуль общей дефбрмащш, кПа;-

п^дельнаясдашов'ай деформация (осадаа сваи), м; Ь - диаметр уширения под нижним концом сваи, м; ц - коэффшдюгт поперечного расширения, равный: для песков и супесей - 0.3, для суглинков - 0.35, ддЯ глин - 0.42.

Тогда суммарное усилие на сваи можно определил, по формуле

Рь+ Р, (20)

- Про ведено сопоставление опытных данных и расчётных зависимостей с примерами расчётов, приведёнными И.Мечи, Исходя из разработанного им теоретического решения задачи о расширяющейся скважине, а также приведёнными Ф.КЛапшиным, которое показало, что сходимость резуль-

. татов вполне удовлетворительная.

- Проведён расчёт усилий в элемешах козловых систем и даны зависимости в диссертационной работе для различных схем загружения.

- Описано внедрение результатов исследований, их эффективность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненные исследования подтвердили эффективность буро-иньекционного упрочнения грунтов оснований при геотехнических реконструкциях зданий и сооружений.

2. Состояние песчаных и глинистых грунтов вокруг расширяющихся скважин характеризуется наличием иласпгческой ( примерно 1,4 от начального радиуса в песчаных грунтах й 1,5 - в глинистых грунтах) и упругой областей в пределах активной зоны (примерно 2,6 от начального радиуса в песчаных грунтах "и 2,5 - в глинистых грунтах ) с промежуточной зоной пониженной плотности, причем удельный вес грунта в активной зоне влияния инъекции изменяется по криволинейной зависимости с максимальным значением по контакту со скважиной (примерно от 9,1 до 10,5% в песчаных грунтах и йт 11,3 до 12% в глинистых грунтах). За счет отжимаемой из раствора вода влажность грунта увеличивается (примерно на 40%) и распределяегся с примерно линейным уменьшением до исходного значения в пределах активной области. На формирование соответствующих зон оказывают существенное воздействие фильтрационные силы, возникающие при инъекции.

3. Выполненные экспериментальные исследованшузидетельствуют, что под напором закачиваемого раствора возникает контактная фильтрация между грунтом и фундаментами или формируемыми в полостях цеменлго-каменными телами. При неправильно назначенных режимах инъекции, особенно с повышенными давлениями и скоростями закачки раствора, в глинистых грунтах возникает опасность гиароразрывов с неконтролируемыми его утечками за зоны инъекции, а в сыпучих грунтах их разрушению вместо уплотнения. Исходя из этого рекомендуется, чтобы давление инъекции не превосходило 0,5-1,0 МПа в зависимости от глубины скважины.

4. Полученные опытным путем зависимости изменения прочностных и деформационных характеристик глинистых грунтов от их состояний по плотности сложения и влажности могут быть использованы для уточнения расчетных значений параметров упрочненных инъекцией оснований с учетом их исходных свойств.

5. Отработанные в лабораторных и полевых условиях режимы закачки раствора и полученные зависимости изменчивости свойств грунтов в зоне инъекции позволяют рекомендовать в качестве оптимального технологического приема циклическое нагнетание раствора в скважины с дренированием верхней части для исключения его выброса к устью.

6. С целью увеличения несущей способности существующих фундаментов за счет буронъекционных свай наиболее эффективна конструктивная схема двустороннего расположения скважин под наклоном с пересечением ниже подошв фундаментов.

В случае одностороннего размещения буровых скважин целесообразно устраивать козловые системы из буроинъекционных свай с объединением их прижимным ростверком. Такие системы эффективны в качестве Шатровых конструкций над подземными коммуникациями дня исключения передачи на них давления.

7. Выведенные полуэмгагрическне расчетные зависимости с учетом опытных данных о размерах пластических и упругих зон позволяют назначать взаимоувязываемые параметры инъекции (максимальное давление, плотность обжатого грунта'на контакте со скважиной, давление инъекции, радиус уширения) для исключения грубых технологических ошибок, а также определять несущую способность упрочненных инъекцией оснований.

8. Теоретические зависимости имеют удовлетворительную сходтгость с экспериментальными данными при расхождении до 10° о.

9. Внедрите результатов диссертационных исследований вьфазююсь в том, что они нашли свое отражение при разработке проектной документации и выполнении геотехнических реконструмо в 1 на четырех об ъектах с использоваш-ем буроиньекционного упрочнения оснований и фундаментов при участии автора в испытаниях буроинъекционных свай на двух го них.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Никитенко М.И., Аль Масри A.C., Мохаммад Х.М. Бурошгьекцион-ные технологии при реконструкции зданий и соору жений // Apxirreicrypa и

• строительство в Беларуси,-1994. № 5-6,-С. 40-42.

2. Никитенко М.И., Мохаммад Х.М., Мохамед Р. Геотехнические проблемы при сохранении и реконструкции старых строений в Минске II Международная конференция «Фундаме! ггостроение - Брно». Сб. докл.- 1994. -С. 337-345.

3.Никитенко М.И., Мохаммад Х.М., Аль Масри A.C. Оценка изменчивости физико-механических свойств грунтов с учётом их инъекционного упрочнения II Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике « Механика - 95». Тез.докл. - Минск,- 1995.- С.172.

РЕЗЮМЕ МОХАММАД ХЕЛЛО МУСА

БУРОИНЪЕКЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИЯХ

Основания, фундамент, буроииъекциошше упрочнение, деформатнвность, несущая способность, ушире1ше, уплотнение, разуплотнение, совершенствование технологи»!, эффекпшность, схема, расчёт, внедрение.

Выполнены исследования с целью выявления эффективных конструктивных и технологических схем шгьекционного упрочнения грунтов в основаниях реконструируемых зданий и сооружений и осуществления прогноза изменения их несутцей способности.

Исследованы впервые на физических моделях зоны уплотнения и разуплотнения песчаных и глинистых грунтов вокруг скважин за счет пневматической и инъекционной опрессовки; выявлены особенности изменения прочностных и деформативных характеристик глшшетых грунтов при различных их состояниях по плотности и влажности в соответствующих зонах опрессовки вокруг расширяющихся скважин; на базе опытных данных предложены рекомендации по совершенствованию технологических приемов инъекции при усилении фундаментов и упрочнении их оснований с учетом дренирующих свойств грунтов и повышенного водоцементного отношения закачиваемых растворов; исходя из результатов экспериментальных исследовании уточнены расчетные схемы и предложены способы расчета несуще^ способности упрочненных инъекцией оснований. Результаты исследовании внедрен),] при геотехнических реконструкциях четырёх объектов в Минске, Несвиже, Копыле и Гродно.

РЭЗЮМЭ МАХАММАД ХЕЛЛО МУСА

БУР АШ'ЕКЦЫШ 1АЕ УМАЦАПАНПЕ АСНОУ БУДЫНКА?

IЗБУДАВАНИЯ^ ПРЫ РЭКАНСТРУКЦЫЯХ

Асновы, падмурак, бураш'екцьпшае умацаванне, дэфармацыйнасць, шсу-чая здольнаснь, пашырэнне, ушчыльненне, разушчыльнеше, удасканален-не тахналогн, эфектглунасдь, схема, разтк, укаракешге.

Вакананы даследвашн з мэтай выяулення эфектыуных канструктыуных 1 тэхналапчных схем ш'екцыйнага умацавання груто^ у асновах будынка? 1 збудавашгау, як ¡я рэканстру1руюцца, I ажьшцяууення прагнозу змянення ¡X шсучай здольнасць

Даследаваны упершышо на фтчных маделях зоны $тичыльнення 1 ра-зушчьщьнення пясчаных I глийстых грунтоу вакол свщравш за кошт пне^матычнай 1 ш'екцыйнай апрацо$та, выяулены асабл1васщ змянення триваласных 1 дэфармацыйных характарыстык пшйсгых грунтоу пры розных ¿х станах па шчыльнасщ 1 вишгошасш у адпаведных зонах апра-соум вакол свщравш, як!я расшыраюцца; на базе доследных дадзеных пра-панаваны рэкамендацьи па Slдacкaнaлeннi тэхналапчных прыёмау ш'екци пры узмацнешн падмуркау \ уманаванш ¡х асноу з улжам дрэшруючых якасдей грунтоу 1 павышанных водацэменшых суадносш растворау, як ¡я закачваюцца; зыходзячы з вынисау эксперымаггальных даследавання)1 удакладнены разлжовьм схемы 1 прапа1тваны спосабы разлжу шсучай здольнасщ асноу, умацаваных ш'екцыяй. '

Вышю даследаванняу укаранены пры геатэхтчных рэканструкцыях ча-тырох аб'ектау у Мшску, Нясшжы, Копьга \ Гродне.

20

SUMMARY

MOKHAMMAD KHELLO MUSA.

BORE - INJECIWE STRENGTHENING BASES (FOUNDATIONS) OF STRUCTURES AND BULDINGS UNDER RECONSTRUCTION.

Bases, foundations, bore-injective strengthening, deforming, bearing, capacity, spread widening, soil consolidation, seal failure, technology improvement, effectiveness, diagram, design and introduction. ,

Research work has been carried out with a view to discover the effective constructive and technological diagrams of injective soil strengthening in the bases and foundations of buildings and structures under reconstruction and predict their bearing capacity changes.

For the first, time the soil consolidation and seal failure of sandy and clay soil zones around wells were investigated on the basis of physical models by pneumatic and injection pressure.

The special features of strength and deforming changes of clay soils under their different density and moisture pressure test zones around the expanding wells have, been discovered.

On the basis of the test data the recommendations on injection techniques improvement in the process of strengthening of bases and foundations taking into consideration the soil drainage properties and increased water cement ratio oi injecting mortars have been made.

At the result of experimental investigations the design diagrams have been made more accurate and design methods of bearing capacity in bases strengthened b\ injection have been made.

The results of investigations have been introduced in four structures, which wen reconstructed in Minsk, Kopyl Grodno, and Nesvizh.

c;

МОХАММАД Хелло Муса

БУРОИНЪЕКЦИОВДОЕ УПРОЧНЕНИЕ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИЯХ

05.23.02 - Основания н фундаменты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

__Редактор Т.Н. Микулик. _

Подписано в печать 12.05.98. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №2. Офсет.печать.

_Усл.печ.л. 1,2, Уч.-изд.д. 0,9. Тираж 100. Зак. 285.

Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская государственная политехническая академия. Лицензия ЛВ №155 от 30.05.98. 220027, Минск, пр. Ф.Скорины, 65.