автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование влияния армирования на деформируемость сильносжимаемых водонасыщенных грунтов

РГ6 ОД

л ; 1 -J

! I \ ГОССТРОЯ РОССИИ

ОРДЕНА ПУДОВОГО КРАСНОГО СЯАШНИ НАЭТНО-ИССЛЕЦОЗАТШЛЮГП, ПР0ЕКТН(М!ЗЫ<ЖАТЕЛЬСКИИ И КО!ВТГЛ(ТОгаШ-ТЕКШЛОГИЧЕскИй ИНСТИТУТ ОСТЮВАЛГИ и ПОДОНКИ СООРУЖЕНИЯ- шени И.М.ГЕРСЕВАНОВА

даоет

На правах руаопкса

КРЕМНКВ Алэксзадр Савлоси

иссладовш® влияния шаровтя ш. шшшттжгь сшшхшшш водошвдзгаш тагов

(СБ.23.02 - Основания и фундакаш)

Авторефзрзт диссертация sa сожкагаае гчепой степэня кандидата техшпесток наук

Москва 19ЭЗ

Работа выполнена э ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском«, га>оектно-изнскатвлъском а конструкторско-тежЕОлогзпескоы институте оснований и подземных сооружений ни. Я.М.ГерсевзяоЕа.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор П.А.Коновалов

Офйциальнае оппонента -доктор текшческш наук, профессор

Ц.ЗО.Абелев

-кандидат технетеагах наук, Л.Р.Иетросяз Вздзаде таэдчреттае -.'Тидроспецпроект" ЗаЕдтаа состоятся " М " С/СОА/^Р - 1533г. в чзсоз на заседазжи сшыдалшзисоваЕяого ссвэта К 023.0S.0I в ордена Трудового Кр®с20Г0 Еааюш нзгтао-ясслвдоватэльсЕон, проеятао-изаскатаиьскеа и кззс!русторско-технолэгаческои шстапугэ оснований а дадземЕЕК сооругеий г_;. Н.М.Герсевансва.

Адрес: 103428 Москва, 2-я ¡^встзтугсхая ул., дои 6 (Ероезд до станщ® мзтро "Рязанский проспект", далее автобусам //23, 143, 169, тролэЯбусоы л63. до остановки "Кастетут бетона")

С диссертацией шзао ознакошатьса в совете азстштута. Автореферат* разослаз " АО " <Л4СЦ? ГЗЗЗг.

Ученнй секретарь спецгапшфоэгЕгого совета кандидат технических наук

В.П.Петрухая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЕОТи

Актуальность работы. Научно-технический прогресс в области фувдаментостроения связывает, в первую очередь, с разработкой эффективных методов устройства оснований и фундаментов в сложных инхененрно- геологических условиях, в том числе и таких, которые характеризуется паличием слоев сильносжимаемых водонасзденных глинистых грунтов. Отсутствие достаточно эффективных способов укрепления слабых водонасыщенных глинистых грунтов обуславливает необходимость поиска новых, нетрадиционных решений, основывающихся на передовых технологиях.

Одним из • таких методов является армирование грунтов ячеистыми структурами, создаваемыми при помощи струйной технологии. Обзор печатной технической литературы показал, что, хотя идея образования ячеистых структур была выдвинута достаточно давно, исследований в этой области было выполнено мало. Публикации на эту тему касались главным образом перспектив применения ячеистых структур в различных областях строительства. Были также предприняты отдельные попытки теоретического и модельного исследования, которые не смогли ответить на многие вопросы, касающиеся возможности и эффективности применения данного метода на практике, механизма деформирования и разрушения армированного грунта под нагрузкой.

Спецефические особенности строения оснований, армированных с использованием струйной технологии, особенности их деформирования и разрушения сделали актуальным проведение специальных исследований, которые являлись одним из этапов комплексных исследований, проводимых в НИИОСП по госбюджетной тематике: "Создание новых типов преобразовании оснований и фундаментов, в том числе с применением высоконалорной струйной технологии", ГНТП

"Стройпрогресс-2000".

Цель работа. Данная работа направлена на изучение особенности строения, деформирования и разрушения армированной структурами толщи слабых оодонасыщенных глинистых грунтов под кратковременной статической нагрузкой. с целью разработки предложений по расчету и практическому использованию данного метода в промышленном и гражданском строительстве.

Автор защищает результаты лабораторных и полевых исследований, а также инженерную методику расчета осадок оснований, армированных структурами.

Научная новизна работы определяется впервые полученными результатами, основными из которых являются:

-результаты, подтверждающие возможность устройства ячеистых структур при помощи струйной технологии, а также свидетельствующие об особенностях строения цементогрунтовой арматуры и состояния поверхности контакта структур с грунтом;

-качественные зависимости влияния формы, размеров структур на эффективность армирования;

-схема деформирования армированного основания, включая деформирование промежуточной песчаной прослойки, подстилзпцего слоя и грунта, находящегося в ячейках структур;

-экспериментально установленный факт, что частичное нарушение монолитности структур в процесса эагружония кратковременной нагрузкой не приводит к потере основанием несущей способности; -инженерный способ определения осадок армированного основания, достоверность которого подтверждается сопоставлением полученных автором результатов полевых испытаний оснований, армированных ячеистыми структурами.

Практическое значение. Данная работа будет способствовать

развитип представлений об армировании слабга- водонаскденнга: глинистых грунтов ценентогрунтовыми структурами, вносит ясность по вопросам, касащиися механизма деформирования и разрушения преобразованных при помощи струйной технологии слабых оснований. Результаты исследований будут способствовать разработке теоретических основ ш штодов расчета оснований, армированных ячеистши структурами.

Работа содержат практические предловеаия, которые будут способствовать скорзйзюму шедренюо дагаого метода упрочнения грунтов в строительства. Инженерная методика расчета осадок аршрованных оснований можэт использоваться для ориентировочной оценки дефориатквнах свойств оснований. -

Публикации: Основное содержание работы изложено в трех публикациях.

Объом работа. Диссертация состоит из введения, четарах глав, взводов, списка лэтературн из 115 Еашенованкй» приложений в включает 109 стр., из шж 136 страниц нгиинотсного текста, 46 иллюстраций и 2 таблицн.

С0ДЕ1ГШВ ГАБОТЫ

В обзорной главе рассмотрены существующие методы строительства на слабых водонасищекнзи грунтах, примеры применения аршрования слабых оснований к прэзоауцества аршфупцих ячеистак цемонтогрунтовых структур при укреплении оснований, слоаенных слабыми водонасшэнна® глкеистшй грунтаки.

Как известно, слабые водонасвдеЕнке глинистые грунта представляют собой наиболее сложную с инженерной точки зрения разновидность грунтов. С одзой стороны, кз-за высокой стаашэмастя

и низкой несущей способности они не могут быть использованы в качестве оснований промышленных и гражданских зданий без проведения предварительных •■ мероприятий по улучшению их прочностных и деформативных свойств- С другой стороны, из-за низкой фильтрационной способности и высокой степени водонасвденности большинство известных методов упрочнения грунтов молопригодно.

Существующая практика строительства связана, как правило, с применением дорогостоящих типов фундаментов и методов улучшения свойств слабых оснований. Сроди известных способов исскуственного улучшения грунтов для слабых водонаскщешшх глинистых грунтов чаще всего используются фйзико-аеханическко метода технической мелиорации, направленные на изменение шютяосто-влажвостного состояния грунта. Если толокна слабого слоя достигает нескольких десятков мотроз, для уплотнения всего объема грунта сжимаемой толщи потребуется длительный период времени и значительнее материальные и трудовые затраты.

Армирование - один из наиболее тарспективнкх методов укрепления грунтов, который в последнее время приобретает все большую популярность. С началом применения армирования в фундаментостроенш впервые появляется возможность целенаправленно изменять свойства грунта, получать основания с заранее заданными жесткостшми и прочностными характеристиками. С использованием армирования отпадает необходимость проводить трудоемкие и длительные мероприятия по уплотнению всей толщи грунта. Прочность и жесткость основания повышается за счет более прочных и жестких армирующих элементов, устраиваемых в определенном порядке.

В настоящее время разработано большое количество вариантов использования армирования, отличающихся областью применения, способом армирования, а также по типу применяемой арматура.

Армировапие горизонтально укладываемыми стержнями, сетками нашло наибольшее практическое применение при устройстве насыпных земляных сооружений, таких как дамбы, плотины, насыпи дорог, подпорные стенки, устои мостов и т.п. Практика показывает, что такое армирование позволяет повысить устойчивость подпорных стен, увеличить угол откоса насыпных сооружений, сделать их более жесткими. По вопросам теории и практики применения армирования в этой области выделяются работы Л.М.Тимофеевой. И.Е.Евгеньева, Ю-В.фоофилова, В.А.Барвашова, А.П.Аксенова, В.Д.Казарновского, А.Г.Полуновского, Б.Н.Ератмапа, а так же зарубежных специалистов Г.Видалл, О.Шлоссера, К.Ли, К.Джоунса, Т.Инголда и др.

В то же время армирование оснований фундаментов зданий и сооружений гибкой горизонтальной арматурой до настоящего времени рассматривалось большей частью лишь теоретически. Объясняется это тем, что традиционная технология введения арматуры в грунт, требущая разработки котлована на всю глубину армирования с последующей послойной укладкой арматуры и хорошо уплотненного грунта, требует гораздо больших затрат времени и ресурсов, чей обычные типы фундаментов.

Поэтому горизонтальное армирование сетками, щитами, стержнями, геотекстилем нашло применение лишь при устройстве песчанка подушек, или при армировании контактного слоя. Для укрепления действительно слабых грунтов, в особенности глин..лих, нарушение природного сложения которых ухудиавт их механические свойства, армирование горизонтальной арматурой малопригодно.

Для укрепления слабых грунтов оснований без нарушения их природного сложения применяется вертикальное или наклонное армирование. Армирование осуществляется различными элементами в вздэ свай, устракэзешга либо непосредственно под подошвой

фундамента, либо рядом с ним. Для армирования используются грунтовые, цементогрунтовые, буронабивные, виброштампованные, а в некоторых случаях и железобетонные сваи.

В настоящее время намечается тенденция к усложнению формы армирующих элементов, которые, по сути дела, уже будут представлять собой армирующие конструкции. Однако произвести армирование такими конструкциями, не нарушая природного сложения грунтов, зачастую практически не возможно. Поэтому, вопросы разработки и проектирования армированных основания всегда находятся в тесной взаимосвязи с вопросами технологии их устройства.

Проблема образования в грунте армирующих конструкций может быть успешно решена с применением струйной технологии. Эта технология позволяет устраивать а толще грунта различные по форме и по назначению подземные конструкции, в том числе и ячеистые структуры из сопряженных двух-, трех-, четырехлопастных свай.

Благодаря возможностям струйной технологии и удачной форме армирующих структур, данный метод укрепления оснований может быть использован в самых различных областях строительства, при укреплении слабых грунтов различных типов.

Предложенная впервые в НИИОСПе идея создания ячеистых структур приобрела широкую популярность среди ученых и инженеров различных школ. Появившиеся вслед за этим работы касались, глаааш образом, перспектив использования мексткх структур в различных областях строительства. Были также предприняты отдельные пошггки модельного и теоретического изучения рассматриваемого метода укрепления, которые не смогли ответить на многие вопросые касащмэся особенностей свойств преобразованного таким образом основания.

В настоящее время существует мнение, что ячеистае структуры

-э-

следует рассматривать как разновидность жестких заглубленных фундаментов или опор (щелевых, из оболочек и т.п.) Однако, анализ особенностей строения цементегрунтовых структур, создаваемых при помощи струйной технологии, показывает, что в этом случае они будут обладать значительно меньшей несущей способностью, чем цемевтогрунтовые сплошные сваи аналогичного сечения. Поэтому, на наш взгляд, наиболее целесообразно рассматривать ячеистые структуры именно как армирующие конструкции. Для этого загружение армированного основания должно производится либо гибкой нагрузкой, либо через промежуточную подготовку. Структуры так же должны быть выполнены по принципу висячих свай, т.е. должны быть заглублены в толще слабого грунта.

Все это создает условия для совместной работы ячеистой структуры и грунта, защемленного в ее ячейках. Грунт, находясь в условиях ограниченных деформаций, стесненный стенками структур, будет иметь повышенную несущую способность и более низкую деформатинность. Выполняя функции грунтовой матрицы по обеспечению непрерывности всей армированной зоны, слабый грунт, на наш взгляд, может обладать распределительной способностью, а именно, если в какой-либо случайно ослабленной зоне структур произойдет их частичное разрушение, внутренние усилия будут распределены на соседние участки структур. Основание в целом не утратит своих прочностных и деформативных свойств. Кромо того, используя способность грунта воспринимать значительную часть внешней нагрузки, мы тем самым. добиваемся снижения концентрации напряжений по верхней грани структур и снижаем вероятность их разрушения.

Можно сказать, что композитная система грунт -армирующие структуры, находясь в тесном взаимодействии и взаимно дополняя друг-друга будет обладать свойствами, которыми не может обладать

каздиа £13 компонентов в отдельности. Это обе «хштельство предопределяет особенности экспериментального и теоретического изучения оснований, армированных структурами.

Задачи работы.

1. Экспериментально подтвердить возможность устройства ячеистых структур при помощи струйной технологии в слабых водонасздекшЕ глинистых грунтах. Выявить особенности строения армированной толщи, формы и размеров ячеистых структур.

2. Экспериментально в лабораторных и полевпж условиях доказать эффективность предлагаемого способа укрепления грунтов, исследовать характер деформирования и разрушения армированных оснований под кратковременной статической нагрузкой, установить качественнее закономерности, опрз делящие его прочностные л дэфошатавЕне свойства в зависимоети от строения армировзнн&й зоны, ее форедг и разборов.

3. Выбрать . рассчетнуа схему основания, армированного структурами, и на ее основе разработать кнаезернуи ыетодику расчета, позволяемую определить строительные свойства артарованзого основания в зависимости от свойств грунта и цементогрунтовой арматуры, строения армированной зоны.

Реаение поставленных задач проводилось в ходе экспериментальных исследований в полевнх и лабораторных условиях. Учитывая ограниченные возможности модельных испытаний армированных систем с грунтовой матрицей, лабораторные исследования были направлены, главным образом, на выявление качественных зависимостей эффективности армирования от факторов, определяющих строение армированной сопл, состояния цементогрунтовой арматуры.

Армирование образцов слабого водонасащэплого глинистого

грунта (11-=1, Е=1.7КЫа.) в лотках проводилось лабораторной гидроструйной установкой, позволявшей при давлении рабочей жидкости о.7Мпа и диаметре сопла 1.5мм создавать прорези шириной 120мм. В качестве рабочей жидкости использовался раствор цемента с водоцементшм соотношением равным I.

Экспериментальное исследование качественного влияния формы и размеров структур на эффективность армирования проводилось в цилиндрических лотках диаметром 500мм, высотой ОООмм. При помощи струйной технологии было изготовлено четыре типоразмера структур с размерами ячеек 63, 1251м. Высота армирования была принята для всех образцов одинаковой равной -250мм. Испытания проводились на 7 , 28 , 64 сутки поело окончания устройства структур.

Экспериментальное исследование характера деформирования и разрушения армированных образцов проводилось на образцах, армированных прямоугольной в плано структурой с размерами ячеек 125мм. Образцы дополнительно оснащались глубинными марками, устанавливаемыми в центре ячеек на глубине 250мм, а также на поверхности цоыонтогрунтовых структур. Аналогичный опыт был проведен в прямоугольном лотке размерами 450x410x100мм с прозрачный! стенками. В качестве глубинных марок в этом случае использовались кусочки пела, расположенные вплотную к прозрачными граням лотка.

Солевые исследования деформирования армированно о грунта ненарушенного сложения проводились на водонасыщенных суглинках города Тшени, которые характеризовались низкой прочностью и высокой сжимаемостью (Е=5МПа,с=13кПа,ф=9':'). При помощи гидроструКной установки, оборудованной на базе буровой машины УРВ-2А-2, было изготовлено четыре структуры, две из которых были выполнены одноячеистыки с размерами ячеек 400x400мм, одна

одяоячеистая с размерами' 250x170мм и одна двух^ячеистая с размерам1,! одной ячейки 200x400.

Исследование процесса развития деформаций слоев грунта армированной толщи проводилось с использованием глубинных марок, установленных на различной глубине в пределах ячейки структур. Кроме того, в ходе полевого эксперимента изучалось распределение напряжений по верхней грани армированной зоны. Напряжения измерялись при помощи месдоз конструкции Д.С.Баранова ПДМ-70 с гидропреобразователем. В качестве регистрирующего оборудования использовался АИД-4.

Лабораторные испытания проводились при помощи штампа площадью п^СЮсм2", загружаемого специальным рычажным устройством. Полевые испытания армированных оснований проводились при помощи прямоугольного штампа з^2500смг. Нагрузка на штамп создавалась 25-тонным гидродомкратом, упирающимся в металлическую платформу с пригрузом. Осадки штампа фиксировались при помощи прогибомеров системы Мокина, с точностью 0,01мм. Измерение перемещений глубинных марок производилось с помощью индикаторов часового типа КЧ-Ю, ИЧ-БО.

Перед испытаниями на очищенную поверхность образцов отсыпался слой пылеватого песка, выполнявшего роль промежуточной подготовки. Толщина слоя в лабораторных исследованиях была принята равной 50мм, в полевых -30мм. Токология устройства песчаной прослойки строго выдерживалась для каждого опыта, включая опыт с неармировавным грунтом, что исключало влкяпие собственных деформаций прослойки на результаты сравнительного анализа эффективности армирования.

Проведенные нами экспериментальный исследования подтвердили возможность и высокую эф5ективность армирования слабых глинистых

грунтов цеыентогруптоБши структурами, создаваемыми при помощи струйной технологии. При этом было установлено, что стенки цементогрунтовой арматуры Ееравномврны по толщине. Можно вэделить три характерные по толщине зоны; центральный цилиндрический ствол диаметром равным диамэтру штанги гидромонитора, лопаетеобразные лучи и тонкие перешейки, соединяющие лучи с центральным стволом.

На основе анализа размеров цементогрунтовых элементов, полученЕых в лабораторных и полевых условиях, установлены соотношения между средними размерами отдельных зон цементо-грунтового диска и дкзиетром сопла гидромонитора. Так средняя толщина лучей была равна 10-12 диаметрам, а толщина перешейков составляла 1.5-2 диаметра.

При вскрытии образцов на поверхности цементогрунтовых структур была обнаружена грунтовая корка толщиной 5-10мм, прочность которой была намного вшо чем прочностные свойства окружающего грунта. Подобная корка, образовавшаяся вследствие частичного проникновения вяжущего в окружающий грунт, способствовала лучшему сцеплению грунта с поверхностью структур.

Материал цементогрунтовых структур характеризовался крайней неоднородностью. Поишо размытых до исходных фракций песчаных и глинистых частиц цемзнтогрунт содержал большое количество крупных включений нера&штого грунта размерами до 20мм. и более. Такая зернистая текстура особенно была заметна в утолщениях структур на пересечениях смэзшых дисков.

Результата испытаний образцов, напиленных из материала структур показывают, что средняя прочность цементо-грунтового камня структур в возрасте 28 суток составляет 1.65-2.5МПэ в случав использования вторичного раствора и 6-8МПа при работе с частым цементный раствором. Следует отметить, что разброс

знзчений прочности цемептогрунта даже о пределах одной структуры бая достаточно большой. Центральный ствол, кок правило, был более прочным чем крайние элементы структур.

При осмотре образцов в лотках и при вскрытии армированных оснований после проведения полевого эксперимента в некоторых случаях были обнаружены спонтанно образовавшиеся горизонтальные прожитч из затвердевшего цементного раствора, которые такжо улучшала свойства основания. Причины образования подобных прожил в полной мере выяснены не были.

В ходе аршрования слабого водонасвденного грунта было установлено, что наименьшие размеры ячеек структур, которые можно создать гидроструйной установкой, не нарушая природного сложения груна составляли; в лабораторных опытах -83мм, при использовании полевой гидроструйной установки -150мм. Это соответствует в том и другом случае плотности армирования 40-502.

Результаты лабораторных штамповых испытаний армированных образцов в сравнении с результатами аналогичных испытаний нзармироваяного грунта показали, что армирование позволяет улучшить деформэтивныэ свойства основания в 3-7 раз. В ходе полевого эксперимента осадки аржрованных образцов в среднем в 1.5-3 раза были меньше, чем у пеэржфоввнного грунта. Результаты сведетельствуот о высокой эффективности данного метода для улучшения деформативных свойств основания. При этом било установлено, что чега слабее грунт, тем вше эффективность армирования, тем более суцественно изменяются свойства основания после армирования.

Лабораторные и полевые испытания также показали, что степень улучшения дефор^атившк свойств основания зависит в перву» очередь от размеров ячеек структур. Результаты сравнительного

анализа позволили сделать вывод о том, что с уменьшением размеров ячеек эффективность армирования значительно возрастает и при плотности армирования равной 30-40% армированная толца претерпевает деформации практически равныо деформациям сплошной опоры аналогичных размеров и находящейся в тех же условиях, что и армированный грунт.

В опытах тагаго получены первичные результаты, свидетельствующие о невысокой эффективности размеров зоны армирования, провшавдей размеры штампа. Вероятно, что этот вывод • требует проведения дополнительных исследований.

Увеличение прочности цемент«грунтового камня во времени отражается на свойствах армированного основания лишь в начальный период твердения. По истечении 28 суток дальнейшее увеличение прочности практически не отражается аа эффективности армирования.

Анализ зависимости эффективности армирования от плотности устройства цеы&нтогрунтовых элементов показал, что помимо верхнего продела плотности армирования, диктуемого технологическими особенностями, существует нижний предел, где прекращает сказываться влияние армирования на улучшение доформативных свойств основания. Для условий полевого эксперимента шшшй предел плотности армирования был равен 252. Для выяснения аналогичных границ при рассмотрении несущей способности основания или для других условий аршрования необходимо проведения дополнительных исследований.

Анализ развития деформаций армированной толщи показал, что в начальный момент загружения осадка основания складывается из деформаций песчаной подготовки и подстилаацих слоев грунта. Структуры вдавливаются в нижэлехащиз слои, при этом грунт внутри ячейки структур уплотняется. Так в ходе лабораторных испытаний

пористость грунта етутри ячеек структур уменьшилась на 10-15%.

Детальный анализ развития деформаций грунта внутри ячейки па полунатурных образцах в половых условиях позволил установить, что по высоте ячейки грунт уплотняется с различной интенсивностью. Наибольшие деформации сгатия претерпевали слои грунта, лежащие в нижний части ячейки структура. При этом в начальный момент загружения уплотнялась лииь часть грунтовой матрицы, от нижней грани армированной зоны до некоторой границы, вше которой грунт внутри структуры не деформировался.

Установлено, что расстояние от нижней грани структур до . верхней граница деформируемой толзи грунтового яяра зависит от величины приложенной к атампу нагрузки. С ое увеличением высота деформируемой части грунта увеличивается, верхняя граница «питаемого слоя постепенно приближается к верхней грани структур и при некоторой, значении нагрузки в процесс деформирования ыозет включится весь массив грунта ячейки структуры.

Характер развития деформаций грунта гаутра структур ззвзсит также от соотношения размеров ячеек структур и глубины армирования. Для условий полевого эксперимента в случае, когда размеры одной ячейки структуры были равна высоте армированной •зоны деформации грунтового ядра развивались по всей высоте ячейки практически с момэнта приложения нагрузки первой ступени. При глубине армирования, равной 4-5 наименьшим размерам одной ячейки, граница деформирования грунта не достигла поверхности ячейки, структуры даже при максимальном значении нагрузки.

К аналогичным выводам приводит анализ развития напряжений по поверхности армированного основания. Полученные в ходе испытаний значения показнвают. что после приложения нагрузки первой ступени значение роактивного отпора со стороны грунта составляло в опыте

с одноячоистой структурой - БОкПа., в опыте с двух ячеистой - 72 кПа.

При дальнейшем загружении с увеличением значения нагрузки отпор грунта, армированного одноячоистой структурой возрастает, и при нагрузке на штамп 106 кй достигает значения 107 кПа. В ходе испытания грунта, армированного двухячоистой структурой, после того, как из первой ступени значение реактивного отпора возросло до некоторого значения, дальпейшоо увеличение нагрузки на штамп не отражалось на напряженном состоянии верхней грани грунтовой матрицы. Значение отпора грунта оставалось постоянным, независимо от величины приложенной к штампу нагрузки.

Тот факт, что дальнейшее увеличение нагрузки в опыте с двух ячеистой структурой не приводило к увеличению напряжений по верхней грани армированного грунта, свидетельствовал о том, что верхняя часть грунта внутри ячейки структуры под действием отпора подстилающих слоев не деформировалась. С другой стороны изменение напряжений с ростом ьагрузки в опыте с одноячеистой структурой объясняется процессом развития деформаций грунтового ядра структур на всю высоту ячейки.

Можпо предположить, что значения напряжений, возникающих по контакту песчаной прослой»! с поверхностью армированного грунта в начальный момент загругения зависят, главным образом, от свойств промежуточной подготовки и свойств грунта и не зависят от размеров ячеек структур. В опытах с подготовкой из пылеватого песка толщиной 30мм значения начальных напряжений по поверхности армированного грунта составляли -50...70КПа.

Развитие деформаций песчаной прослойки свидетельствует о том, что собственные деформации пэска практически не оказывает влияния на общую осадку штаипа. Том не менее наличие подготовки

позволило до 5055 всей внешней нагрузки перераспределить на поверхность слабого грунта, что благоприятно отразилось на характере совместного деформирования грунта и арматуры.

Исследования влияния толщины песчаной подготовки па характер распределения напряжений по поверхности армированного основания в данной работе не проводились. Очевидно, что с увсличопием размеров прослойки или ео сжимаемости увеличится доля нагрузки, приходящаяся на грунт ячейки структуры. В тожо время это можот привести к продавливанию песчаного слоя стенками структур, к развитию значительных деформаций. В связи с этом, до проведения специальных исследований, можно рекомендовать толщину песчаной прослойки принимать не более средней толщины стенок армирувдих структур.

Исследование процесса разрушения армирующих структур и влияние этого процесса на свойства армированного основания проводилось на основе анализа развития деформаций армированпой толщи и по результатам визуального обследования структур после испытаний.

Ешю установлено, что практически во всех оС азцах произошло скалывание тонких перешейков, соединяющих центральный ствол с лопастями цементогрунтовых дисков. Об этом свидетельствовали обнаруженные при осмотре вертикаль-ые трещины, а также то, что в ходе загружения отдельные части структур деформировались неравномерно. Учитывая хрупкость цементогрунтового материала и незначительную толщину перешейка, разрушение могло произойти при незначительных смещениях отдельных частей структуры относительно друг друга. Так как наибольшие неравномерные деформации произошли, по ввдимому, при первой ступени нагрузки, в период обжатия песчаной подготовки, то можно сказать, что скол тонкого

перешейка и расчленение структуры на отдельные вертикальные элементы произошел яа начальном этапе загруженил.

В то же время, отсутствие на графиках "осадка-нагрузка" скачков, изломов, позволяет утверждать, что такое разрушение не отражается на процессе деформирования армированного основания. Таким образом, несущая способность и жесткость армированного основания не изменяется после того, как цементогрунтовне структуры теряют свою сочлененность.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводило либо к вдавливанию отколовшихся цементогрунтовых элементов в нижележащие слои грунта, либо к их разрушению. В результате такого разрушения возникали прогрессирующие осадки, свидетельствующие о исчерпании армированным основанием несущей способности.

Следует отметить, что такое разрушение в ходе полевого эксперимента было зафиксировано лишь в единичном случае, в опыте с одноячеистой структурой размерами 170x250мм. В остальных опытах развитие деформаций армированного основания происходило за счет вдавливания элементов структур в подстилающие армированную толщу слои грунта. При этой зависимость "осадка-нагрузка" сохраняла плавноизогнутое очертании, осадки имели затухающий характер.

В общей случае кожно сказать, что несущая способность армированного структурами основания определяется либо несущей способностью грунтов подстилающих армированную толщу, либо прочностью цеиентогрунтового кашя на сжатие. При этом следует учитывать, что отдельные сколы, сдвиги одаого элемента структур относительно другого, приводящие к частичному- нарушению сбчлононвоста цаментогруитовых элементов, не отражается на свойствах армированного основания в целом.

Особенности деформирования к разрушения гршрованных

освований, выявленные в ходе экспериментальных исследований, были учтены при разработке инженерного метода га расчета. В основу метода легло решение Шейнина-Федоровского о призматической полой опоре с открытым нижним концом, загружаемой вертикальной статической нагрузкой. При этом было сделано допущение о том, что грунт в ячейках структур деформируется одинаково во всех ячейках независимо от того, является ли ячейка центральной в структуре, боковой или угловой. Кроме того, при определение осадок основания ■ деформациями песчаной прослойки пренебрегаем.

Осадка армированного основания определяется исходя пз решения задачи о взаимодействии армированной толил с окружающим грунтом, с учетом деформирования грунта озутри ячеек структур. При этом учитавается, что деформации грунта могут развиваться но по всей высоте ячейки, а линь на определенной ее части.

Напряженно -дефорешрованное состояние грунта Енутрп ячеек структур описывается дифференциальна уравнением?

- а-о* - в =0 , (I)

где а, 6-коэффициенты, зависящие от прочностных характеристик грунта -с <р; коэффициента бокового давлешгя -5; удельного веса грунта -7; гоюшади поперечиого сечения грунта одной ячейки 'структуры -гг, периметра ячейки структуры -иг:

а= ;б= Т" . (2)

Решение дифференциального уравнения (I), с учетом взаимодействия армированной толщи с округапцкм грунтом, которяй рассматривается как Винклеровсков основание, характеризуемое коэффициентом постели К, приводит к формуле для определения осадки армированного основания:

Р - JC-F.-Jii-*"

S = -„ , m

K(F. ♦ F, » U. ■■ ¿ --)

где P- величина полной нагрузки на армированное основание: F. -площадь поперечного сечения структуры; F« -суммарная площадь грунта ячеек структуры; us -периметр наружной грани структуры; Нг -высота армированной зоны; х -коооффициент, показывапций соотношение коэффициента сопротивления тангенциальным перемещениям к коэффициенту постели К; d(z. ), z(z.) -параметры, зависящие от высоты деформируемой части грунта ячейки структур -z.; дефоркативаых характеристик грунта -E,v; глубины армирования -Нг; коэффициента постели К:

- в е^"'"2*5)--! +-Jí(Hr+z.)(Hr-z.)

Ziza> - X ♦ к --§-(1- е"чзСНг~*5) . ( 4 >

Решепио является замкнутым если z.=0. Если z»*o, то удобнее определить сначало величину напряжения под ячейкой структур ст®, решая систему уравнений, одно из которых является трансцендентным:

Р- - (К F» ♦ К -и.-£¿íir ) D<a.>

О* - --

К -F« +K-(F. + ( g ^

К * -|-> ea<2-h>- 4- = 7-z. .

Полная осадка в этой случае определяется из соотношения:

ZlBal

S = - *of ♦ De» , .'6)

К h

Учитывая громоздкость вычислений, связанных с необходимостью решения трансцендентного уравнения, бала разработана программа для ЭВМ "struc" и упрощенная методика, основанная на графическом способе определения граница деформируемой части грунта ячейки структур.

Еелинейпый характер развития деформаций армированного

основания, так же как, и неармированного. требует введение

ограничения применения данной расчетной схемы, в основе которой

принята линейная зависимость деформации грунта от нагрузки. Для

этой цели можно использовать расчетное сопротивление грунта,

определяемое для равновеликого с армированной зоной фундамента

сплошного сечения. При этом должно выполняться условие: о* < к , (7)

где о^-напряжение под пятой структур, определяемое согласно

Винклеровсхой модели основания, как о*=Кз; к- расчетное

сопротивление грунта, залегающего ниже подошвы структур,

определяемое согласно С1!иП 2.02.01-83 "Основания и фуидэмеяы".

Результаты теоретических исследований показали, что рассмотренная методика расчета правильно отражает основные закономерности деформирования оснований, армированных структурами. При соблюдении условия (7) расхождения между теоретиче скими и экспериментальными значениями осадок состазляли не более 25%.

Несущая способность армированных оснований определяется исходя из прочности цемонтогрунтовых структур на сжатие. При этом должно соблюдаться условие:

о* < 1«5 , (&)

•плх 5 ' 4 '

где к»- призченная прочность цемент^грунтового камня, определяемая испытанием образцов структур на сжатие; о"'"-максимальное схимащее напряженке, возникающее в стенках структур, которое следует определять с учетом перераспределения части нагрузки на грунт ячеек структур и развития по поверхности

армированного грунта начального напряжения сг| :

2 Р - о® к«. а" --. (д>.

гг. -

Величина зависит, от толщины и свойств промежуточной

подготовки и в каждом конкретном случае должна определяться экспериментально.

ОСНОВШЕ выводи

1. Экспериментально в лабораторных и полевых условиях была доказана возможность армирования слабых водонасыщенных глинистых грунтов ячеистыми структурами, создаваемыми при помощи струйной технологии. Было установлено, что в ячейках структур грунт сохраняет свою естественную структуру, если соотношении площади верхней грани цементогрунтовой арматуры к общей площади армирования не превышает 40-50Ж.

2. Цоментогрунтовые ячеистые структуры имоют неравномерное в сечении строение. Можно ввдолить утолщония и более узкио перешейки, толщина которых не превышает 1.5-2 диаметра сопла гидромонитора.

3. Цементогруитовые структуры имеют полное сцепление с окружающим грунтом. Этому способствует неровная поверхность армирующих элементов, а также образовавшаяся в процессе работы гидроструйной установки грунтовая корка повышенной прочности.

4. Лабораторные и полевые испытания показали, что армирование слабых водонасыщенных глинистых грунтов позволяет не только повысить несущую способность слабого грунта, но и снизить деформатишостъ всего основания. Условия деформирования грунта в ячейках исключают развитие областей предельного состояний и образования зон сдвигов. Сжатие грунта в ячейках происходит только за счет его уплотнения, при этом процесс уплотнения имеет место и в случае ностабилизированного состояния грунта.

5. Сравнение результатов испытаний армированных оснований и ноармированного грунта показало, что армирование позволяет

снизить деформативность основания примерно • в 1.5-3 раза, соответственно повшается его несущую способность.

6. Эффективность армирования зависит в первую очередь от формы и размеров армирующих структур. Чем вше плотность армирования, тем заметнее снижение величин абсолютных осадок армированного основания по сравнению с неармированныы. При плотности армирования меньше 25% влияние структур на снижение деформаций основания незначительно. О увеличением глубины армирования эффективность укрепления грунтов данным способом также увеличивается.

?. Установлено, что в зависимости от размеров ячеек, глубины армирования несущая способность армированного основания определяется либо несущей способностью грунтов, подстилающих армированную толщу, либо прочностью структур ка сжатие. При этом частичное нарушение сплошности структур в результате сколов тонких перешейков не отражалось на свойствах армированного основания в целом.

8. Деформации песчаного слоя незначительны, но в тоже время при его наличии происходит равномерное загруженке поверхности как структур, так и грунта в ее ячейках. Это приводит к снижению значений максимальных сжимающих напряжений в стенках структур.

9. Величину напряжения по верхней грани слабого грунта, вызванного деформированием песчаной подготовки, можно принять постоянным, не зависящим от величины нагрузки, приложенной к штампу, а также размеров ячеек структур.

10. Экспериментально подтверждено, то» деформации грунта внутри ячеек могут развиваются не на всю высоту структур. Часть грунта выше некоторой границы может не деформироваться и перемещаться вместе с стенками структур как одно целое.

Расположение границы деформируемой части грунта зависит от величины приложенной нагрузки и размеров ячеек структур.

II. Проведенные исследования показали, что определение осадок армированного основания должно проводиться с учетом деформирования грунта внутри структур, а так же с учетом взаимодействия армированной толщи с окружающим грунтом. Рассмотренная в работе методика расчета, основывающаяся на решении Шейнина-Федоровского, позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью определять осадки армированного основания, загруженного вертикальной статической нагрузкой. При условии ограничения давления по подошве структур расчетным сопротивлением подстилающих грунтов реальные осадки отличались от рассчитываемых не более чем на 25%.

Основные результаты, положения и выводы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. П.А.Коновалов, А.П.Кремнев, С.Я.Кушнир, Исследование слабых глинистых грунтов, армированных струйной технологией. -Труды ин-та/ ВНИИ оснований и подземных сооружений 1991г, вып. 94, С123-131.

2. П.А.Коновалов, А.П.Кремнев, С.Я.Кушнир, Лабораторные исследования слабых водонасыщенных грунтов, . армированных ячеистыми структурами. В сб. докл. республика!, .кой НТК Эффективнее фундаменты, сооружаемые без выемки грунта. -ШСй, Полтава, 19Э1г стр.104-109.

3. П.А.Коновалов, А.П.Кремнев Полевые исследования слабых водонасыщенных грунтов, армированных ячеистыми структурами. В ке." Строительство на структурно-неустойчивых грунтах" Сб. докл. республиканской НТК. СамГАСИ, Самарканд. 1992г.