автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Несущая способность территорий причалов возведенных на слабых грунтах (илах) большой мощности

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ ПРИЧАЛОВ.

1.1. Аналитический обзор строительства портовых гидротехнических сооружений на слабых грунтах.

1.2. Технологические схемы повышения несущей способности территорий, возведенных на слабых грунтах.

1.3. Буросмесительный способ закрепления слабых оснований.

1.4. Сравнительный технико - экономический анализ методов строительства.

1.4. Область применения и метод расчета илоцементных свай.

1.5. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННОГО ИЛОЦЕМЕНТНОГО МАТЕРИАЛА.

2.1. Цель и состав исследований.

2.2. Методика исследований.

2.3. Результаты испытаний прочности образцов илоцемента на изгиб и сжатие.

2.4. Выводы по результатам лабораторных исследований.

ГЛАВА 3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИЛОЦЕМЕНТНЫХ СВАЙ И ЗАКРЕПЛЕННОГО «СЛАБОГО»

ОСНОВАНИЯ.

3.1. Инженерно-геологические условия участка исследований.

3.2. Лабораторные испытания материала илоцементных свай.

3.3. Полевые испытания илоцементных свай статической вдавливающей нагрузкой.

3.4. Исследование структуры илоцементных свай.

3.5. Полевые пггамповые испытания территории причала, закрепленной ило-цементными сваями.

ГЛАВА 4. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ТЕРРИТОРИИ

ПРИЧАЛА ЗАКРЕПЛЕННОГО ГРУНТОЦЕМЕНТНЫМИ СВАЯМИ.

4.1 .Территория причалов.

4.2. Детерминистический метод расчета несущей способности илоцементных свай.

4.3. Расчет несущей способности илоцементных свай с учетом распределительных свойств грунта засыпки.

4.4. Конструктивное решение расположения свайного поля в грузовых районах причала.

4.5. Вероятностный метод расчета илоцементных свай.

4.6. Параметры распределений несущей способности илоцементных свай и территории причала.

4.7. Результаты разработки модели, несущей способности территории причала закрепленного илоцементными сваями.

Актуальность темы. В мировом судоходстве за последнее время произошли изменения, сказавшиеся на проектировании и строительстве портовых гидротехнических сооружений. Как показывает опыт транспортного строительства, районы расположения новых портов с благоприятными геологическими условиями во многих случаях использованы. Грузовые площадки приходится располагать в местах залегания мощных толщ слабых во-донасыщенных грунтов. Естественные основания портовых сооружений не могут непосредственно воспринимать нагрузку. Приходится принимать специальные меры, чтобы создать такие условия распределения нагрузки, которые позволили бы избежать нарушения устойчивости сооружения. Для повышения прочности естественных оснований применяют различные мероприятия как с заменой и уплотнением, так и с закреплением слабых грунтов и превращением их в несущий элемент конструкции. Одним из методов повышения несущей способности слабых грунтов, и использования их в качестве оснований сооружений, является применение илоцементных сваи изготавливаемых «сухим» способом при помощи буросмесительной технологии. Впервые в практике портового строительства, проектирование и возведение причального сооружения на илах большой мощности, с помощью указанного способа, было осуществлено ЗАО «МОЛморстрой» и инженерной фирмой «ИнжМол» в порту Темрюк.

Исследования по закреплению грунтов различными методами ведутся достаточно давно отечественными и зарубежными учеными (С.Д. Безрук, Л.В. Гончарова, Б.А. Ржаницин, В.Е. Соколович, А.Н. Токин, Я.Я.Мотузов) [21,48,51].

Вопрос обеспечения необходимой эксплуатационной надежности портовых гидротехнических сооружений, возводимых на слабых грунтах, на сегодняшний день является актуальным. 4

Цель работы; Экспериментальное изучение и оценка эксплуатационной надежности территорий причалов, построенных на илах большой мощности (> 10м) закрепленных илоцементными сваями.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе основное внимание было уделено решению следующих задач;

- проведены лабораторные исследований илоцементного композита, полученного путем закрепления слабых илистых грунтов «сухим» способом внесения вяжущего и определены его прочностные характеристики;

-проведены натурные испытания илоцементных свай с определением их несущей способности;

-проведены пггамповые испытания грунта армированного илоцементными сваями с определением прочностных характеристик основания и нормирования нагрузки на прчале;

-разработана методика расчета эксплуатационной надежности слабого основания причала, армированного илоцементными сваями.

Научная новизна работы, на основании теоретических и экспериментальных исследований: установлены физические закономерности и экспериментально определены параметры (показатели) закрепляемости грунта «сухим» вяжущим; определена несущая способность илоцементных свай и основания, закрепленного илоцементными сваями на основе статистического обобщения результатов натурных исследований; разработана методика расчета надежности территории причала, закрепленной илоцементными сваями.

Практическое значение диссертации. Впервые получены и использованы в проектной и строительной практике результаты теоретических и экспериментальных исследований, что позволяет рекомендовать применение илоцементных свай, изготовленных «сухим» способом, полученных при по5 мощи буросмесительной технологии, в качестве элемента, повышающего несущую способность грунтового массива.

Результаты исследований, положены в основу расчетов нормативной нагрузки на территории причала в п.Темрюк. В работе представлена разработка методики расчета надежности территории, закрепленной илоцемент-ными сваями. Результаты работы применены на ряде объектов в п.Темрюк в т.ч.,

-закрепление участков территории портового комплекса в п.Темрюк, илоцементными сваями;

- стабилизация основания подъездных к п.Темрюк авто и железной дорог при помощи буросмесительной технологии.

Достоверность основных научных исследований, рекомендаций и выводов подтверждается результатами лабораторных и натурных экспериментов, с получением результатов лабораторных работ и натурных исследований, а также удовлетворительной (с точностью не менее 10%) сходимостью расчетов и экспериментальных данных.

Апробация работы; Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава в Московской Государственной академии водного транспорта на секции «Водные пути и порты»; на секции «Комплексные проблемы транспортного строительства» Ученого Совета ОАО ЦНИИС; на технических советах проектной фирмы ООО «ИнжМол».

Публикации; По результатам выполненных исследований опубликовано пять печатных работ автора. Работы по теме диссертации нашли отражение в научно-исследовательских отчетах проектной фирмы «ИнжМол» и научно-исследовательской работе в ОАО ЦНИИС.

Внедрение результатов работы осуществлено при проектировании и строительстве грузового причала Кубанского Речного пароходства и причалов для 6 перегрузки генеральных грузов Северо-Кавказской железной дороги в порту Тем-рюк фирмой ЗАО «МОЛморстрой» и проектной фирмой ООО «ИнжМол». Работа велась в качестве научного сопровождения и легла в основу проекта грузового комплекса в порту Темрюк.

Содержание работы; Во введении дано обоснование выбора и актуальность темы, сформированы цель и задачи исследований, приведена оценка полученных результатов, научной новизны и практической ценности теоретических и экспериментальных разработок.

Первая главах диссертации посвящена аналитическому обзору современного состояния вопроса, обеспечения надежности и повышения несущей способности территорий портовых гидротехнических сооружений, возведенных на слабых грунтах большой мощности. Приведены технологии строительства, призванные обеспечить необходимую надежность территорий причалов.

Комплексное решение проблемы надежности предусматривает проектирование сооружения с установлением необходимого уровня его надежности, который определяется с помощью расчетов сооружений. Но система коэффициентов приведенных в расчетах по предельным состояниям обеспечивающая запас прочности не отражает изменчивости нагрузок и прочностных показателей грунтов основания. Последнее весьма важно для оценки и использования фактической несущей способности сооружения и его основания для создания надежной и экономичной конструкции. Для этого и необходимо разработать модель расчета несущей способности слабых оснований закрепленных грунтоцементными сваями.

Во второй главен диссертации рассмотрен вопрос закрепляемое™ слабого илистого грунта сухим вяжущим. В лабораторных условиях определены возможности стабилизации слабого водонасыщенного грунта цементом, внесенным без добавления воды. Определены основные дозировки вяжущего 7 вещества. Получены основные количественные физико-механические характеристики илоцементного композита, с целью обоснования выбранного метода производства илоцементных свай изготовленных «сухим» способом.

В третьей главе: на основании разработанной методики испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой экспериментально установлены зоны, величины деформирования и несущая способность илоцементных свай. По проведенным в натурных условиях штамповых испытаниях получен коэффициент деформативности сложного основания армированного илоцементными сваями."Экспериментальные исследования позволили сделать вывод, что грунтоцементные сваи изготовленные по буросмесительной технологии «сухим» способом с полной прорезкой всей толщи слабых грунтов будут высокоэффективным средством повышения несущей способности такого основания.

В четвертой главе: диссертации приведены методика расчета надежности слабого основания, закрепленного илоцементными сваями, изготовленными «сухим» способом внесения вяжущего и результаты расчета, положенные в основу проекта грузового причала в п.Темрюк.

Диссертационная работа; содержит страниц машинописного текста, в том числе таблиц и рисунков, включая список литературы из наименования.

На защиту выносится:

Комплекс методических, экспериментальных и теоретических исследований и решений, которые обеспечивают эксплуатационную надежность территорий причалов возводимых на илах большой мощности;

Методика проектирования территории причала с учетом закрепления слабых грунтов илоцементными (грунгоцеменшыми) сваями;

Методика выбора и обоснования конструктивно - технологических параметров илоцементных свай для закрепления территории причала. 8

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые установлены физические закономерности и экспериментально определены параметры (показатели) закрепляемое™ слабого илистого грунта «сухим» вяжущим.

2. Впервые на основе натурных исследований установлены закономерности формирования геометрии поверхности илоцементных свай и определена их несущая способность.

По результатам испытаний экспериментально установлены зоны и величины деформирования, составившие в упругой зоне 5 - 6мм, среднее значение несущей способности илоцементных свай по данным опытов составило 9.8тс.

3. Определена характеристика деформативности сложного армированного грунтового основания, грунт - илоцементная свая, составившая по величине модуль деформации равный 65 кг/см .

Проведенные штамповые испытания подтвердили проектную надежность основания, закрепленного илоцементными сваями, изготовленными «сухим» способом внесения вяжущего.

4. На основании комплекса методических, экспериментальных и теоретических исследований разработана методика расчета надежности территории причала, возводимого на слабых грунтах большой мощности, с учетом закрепления грунтоцементными сваями.

5. На основании детерминистических уравнений связи и полученных параметров распределения случайных аргументов, предложены основные положения методики расчета закрепленного основания на надежность.

Представлена схема расчета и получено уравнение подбора шага илоцементных свай, в зависимости от эксплуатационной нагрузки, с учетом распределительных свойств грунта. На основании предложенной расчетной

145 схемы даны конструктивные решения устройства свайного поля для разных грузовых зон причала.

6. Предложены состав и порядок определения надежности территории закрепленной илоцементными сваями, с учетом вероятностной составляющей несущей способности самих свай. На основании полученной информации определена эксплуатационная надежность территории причала, в зависимости от шага свай, для различных грузовых зон.

7. Реальный экономический эффект от применения илоцементных свай, увеличился по сравнению с заменой грунта в 40 раз, по сравнению с консолидацией грунта в 3 раза.

147

6 7 8

Фото 1 .Испытательная машина МИИ-100 для определения предела прочности при изгибе

1 - шкала,2 - стрелка, 3 - амортизатор,4 - шайба, 5 -прорезь, б - винт с грузом, 7 - рукоятка управления, 8-счетчик, 9-коромысло, 10 - валик, 11 - образец-балочка, 12 - маховичок, 13 -опоры

148

Фото 2. Гидравлический пресс П - 2.5 Техническая характеристика пресса П - 2.5 (цена деления

5кгс)

Усилие пресса; максимальное - 100т Скорость нарастания нагрузки 0-30 кг/см2 в секунду Максимальные размеры испытываемых образцов - 200 х 200 х 200мм

Мощность электродвигателя - 0.5кВт Площадь поршня - 572см

149

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ИЛОЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Добавка цемента 15%(1500гр. ила + 225гр. цемента)

1. Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений, Стройиздат, 1973.

2. Абелев М.Ю. Цытович Н.А. Вопросы применения теории фильтрационной консолидации для сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, Основания, фундаменты и механика грунтов, 1959.

3. Амарян Л.С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения, Недра, 1980.

4. Амарян Л.С. О закономерностях одномерного уплотнения органо-минеральных грунтов, Основания, фундаменты и механика грунтов, 1980.

5. Амарян Л.С. Теория и практика лопастных прессиометрических испытаний грунтов на сжимаемость и прочность, Проектирование и инженерные изыскания, 1984.

6. Анисимов Н.И. Основания и фундаменты гидротехнических сооружений, Министерство речного флота, 1952.

7. Арутюнян В.О., Безрук В.М., Ястребов А.И. Укрепление грунтов вяжущими материалами, СоюздорНИИ, 1968.

8. Банник В.М. Техническая мелиорация грунтов, Вища школа, 1976.

9. Безрук В.М. Укрепление грунтов, Транспорт, 1965.

10. Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами, Автотрансиздат, 1956, 241с.

11. Безрук В.М. Основные принципы укрепления грунтов, Транспорт, 1987.

12. Безрук В.М. Итоги и перспективы применения укрепленных грунтов в строительстве, Тезисы докладов Всесоюзного совещания Стройиздат, 1984.183

13. Болотов В.В. Статистические методы в строительной механике, Стройиздат, 1965.

14. Богов С.Г. Улицкий В.М. Комплексное использование струйной технологии для целей реконструкции на слабых грунтах, Реконструкция Санкт-Петербурга-2005. Материалы 3-го международного симпозиума 1994.

15. Бройд И.И. Струйная технология строительства подземных сооружений. Современное состояние и направление развития, ВНИИНТПИ. Обз. инф. Архитектура и строительство. Выпуск №2. Технология, механизация и автоматизация в строительстве, 1995, 69с.

16. Будин А.Я. Чекренева М.В. Усиление портовых сооружений, Транспорт, 1983.

17. Викторов И.И. Стабилизация слабых грунтов основания насыпей устройством вертикальных песчаных дрен, Транспортное строительство, 1965.

18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей, Высшая школа 1999.

19. Герсеванов Н.А. Полыпин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практическое применение, Стройиздат, 1848.

20. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов ,Издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952.

21. Гольдштейн М.Н. Проблема прочности слабых водонасыщенных грунтов. Проблемы строительства на слабых грунтах ,Материалы Всесоюзного совещания. Рига, 1972.

22. Гончарова Л.В. Цементогрунт как природно-техногенный композит, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

23. Гончарова Л.В. Основы искуственного улучшения грунтов (техническая милиорация), Московский университет, 1973, 373с.184

24. Горюнов Б.Ф. Техническая эксплуатация портовых сооружений, Транспорт, 1974.

25. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты, Стройиздат, 1980.

26. Денисов Н.Я. Вило А. Свойства слабых глинистых грунтов, их природа и методы оценки ,Материалы Всесоюзного совещания по строительству на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. Таллин, 1965.

27. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений, Высшая школа, 1991.

28. Кирилов B.C. Основания и фундаменты, Транспорт, 1980.

29. Костин И.В., Цыкало В.А. Анализ прочности бетона призматических железобетонных свай причальных сооружений в портах Черноморско-Азовского бассейна, Сборник трудов СоюзморНИИпроекта №1, М. 2000. с. 113-117.

30. Костюков В.Д. Надежность морских причалов и их реконструкция,Москва. Транспорт, 1987.

31. Костюков В.Д. Вероятностные методы расчета запасов прочности и долговечности портовых гидротехнических сооружений, Транспорт 1979.

32. Костюков В.Д. Уваров Л.А. Оценка надежности причальных сооружений // Вопросы совершенствования конструкций морских береговых сооружений ,Транспорт, 1984.185

33. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий, Стройиздат, 1989, 136с.

34. Леонарде Д.А. Основания и фундаменты. Перевод с английского Гольдштейн М.Н ,Издательство литературы по строительству. Москва, 1968.

35. Любимова Т.Ю. О процессах структурообразования в грунтах укрепленных цементом, Труды конференции по технической меллиорации грунтов. Издательство МГУ, 1960.

36. Марченко А.С. Морские портовые сооружения на слабых грунтах, Транспорт, 1976.

37. Марченко А.С. Химический состав поровой воды морских илов, Советская геология, 1966.

38. Мотузов Я.Я. Горлов B.C. Котов А.И. Технология изготовления илоцементных свай и область их применения, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

39. Мотузов Я.Я. Горлов B.C. Котов А.И. Опыт применения илоцементных свай для устройства основания подкрановых путей. Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

40. Налимов В.В. Теория эксперимента, Наука, 1971.

41. Попов Л.Н. Лабораторный контроль строительных материалов и изделий, Стройиздат, 1986.

42. Попов А.Ф. Фундаменты сельских зданий из цементогрунта в условиях Вологодской области, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

43. Россихин Ю.В. Остров В.И. Серебряный Р.В. Свайные фундаменты на слабых грунтах. Слабые глинистые грунты. Материалы Всесоюзного совещания по строительству на слабых водонасыщенных грунтах. Таллин, 1965.

44. Рубинштейн А.Я. Канаев Ф.С. Инженерно-геологические изыскания для строительства на слабых грунтах, Стройиздат, 1984.

45. Ржаницин Б.А. Токин А.И. Перспективы применения буросмесительного способа для устройства фундаментов из цементогрунта, Тезизы докладов Всесоюзного совещания. Стройиздат, 1984.

46. Садовский А.В. Перспективы применения закрепленных грунтов в фундаментостроении, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

47. Смородинов М.С. Федоров Б.С. Устройство сооружений и фундаментов способом, стена в грунте. Стройиздат, 1986.

48. Смолин Б.С. Шароватов В.И. Буросмесительные сваи в рыхлых песчаных грунтах, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

49. Смолин Б.С. Шароватов В.И. Цементогрунтовые сваи, изготавливаемые буросмесительным способом, в строительстве, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

50. Соколович В.Е. Физико-химичесике процессы при закреплении илов цементами, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.187

51. Сорокина Г.В. Строительные свойства морских илов, Материалы Всесоюзного совещания по строительству на слабых водонасыщенных грунтах. Таллин, 1965.

52. Стрелецкий Н.С. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям, МИСИ, 1966.

53. Токин А.Н. Фундаменты из цементогрунта. Стройиздат, 1984,184с.

54. Тейлор Д.В. Основы механики грунтов. Госстройиздат, 1960.

55. Терцаги К. Теория механики грунтов. Госстройиздат, 1961.

56. Железняк И.И. Надежность мерзлых оснований сооружений, Наука. Сибирское отделение, 1990.

57. Жуков Н.В. Мироненко М.А. проектирование коротких цементогрунтовых свай на просадочных грунтах ,Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

58. Цитович Н.А. Механика грунтов, Высшая школа, 1968.

59. Усков Ю.А. К вопросу об организации строительства при образовании территории контейнерного терминала в п. Гавана с использованием илоцементных свай, Материалы Всесоюзного совещания. Применение цементогрунта в фундаментостроении. Стройиздат, 1984.

60. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. Мир, 1967,

61. Швец В.Б. Тарасов Б.Л. Швец Н.С. Надежность оснований и фундаментов. Стройиздат, 1980.

62. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Мир, 1972,

63. Рекомендации по планированию эксперимента при решении задач транспортного строительства, Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства. Москва, 1983.

64. Руководство по проектированию илоцементных оснований и фундаментов портовых сооружений (РД 31.31.29 82). В/О Мортехинформреклама, 1983.188

65. Свайные фундаменты. Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова. Труды института, выпуск 65,1975.

66. Бетон и железобетонные изделия. Методы испытаний материалов. Часть 2 ,Издательство стандартов, 1980.

67. Обзорная информация. Строительство транспортных гидротехнических сооружений на слабых грунтах (Отечественный и зарубежный опыт), Москва, 1986.

68. Лабораторные методы исследования мерзлых пород. Издательство Московского университета. 1985.

69. Методические рекомендации по обеспечению качественной оценки прочности грунтов основания. Киев, 1976.

70. Руководство по лабораторному определению деформационных и прочностных характеристик просадочных грунтов. Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова. Москва, 1975.

71. Строительная классификация морских илов, СоюзморНИИпроект, 1965.

72. ГОСТ 5686 78 Сваи. Методы полевых испытаний. Издательство стандартов, 1978.

73. ГОСТ 20276 85 Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости. Издательство стандартов, 1985.

74. Нормы технологического проектирования морских портов. Минморфлот, 1980.

75. Нормы проектирования морских и речных портов. АО Гипроречтранс, АО Ленморниипроект, 1996.

76. Рекомендации по струйной технологии сооружения противофильтрационных завес, фундаментов, подготовки оснований и разработки мерзлых грунттов. ВНИИОСП, 1989, 89с.189

77. СНиП 2.02.01 83 Основания зданий и сооружений.

78. СНиП 2.02.03 83 Свайные фундаменты.

79. ГОСТ 310.1 76 Цементы. Методы испытаний. Общие положения. Издательство стандартов, 1976.

80. ГОСТ 310.2 76 Цементы. Методы определения тонкости помола. Издательство стандартов, 1976.

81. ГОСТ 5180 75 Влажность. Методы определения. Издательство стандартов, 1975.

82. ГОСТ 10178 -76 Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия, Издательство стандартов, 1976.

83. ГОСТ 310.4 81 Цементы. Методы определения прочности при изгибе и сжатии, Издательство стандартов, 1981.