автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Основы и методы реализации глубинного уплотнения слабосвязных грунтов оснований для возведения сооружений

На правах рукописи

МИНАЕВ Олег Петрович

ОСНОВЫ И МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯ СЛАБОСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты,

подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

-1 ДЕК 2011

Санкт-Петербург 2011

005004592

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный консультант:

Академик РАН, доктор технических наук, профессор Васильев Юрий Сергеевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Беляев Вячеслав Семенович - ОАО «26 ЦНИИ» (г. Санкт-Петербург)

Доктор технических наук, профессор Ставнщер Леонид Рувимович - Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений им. Н.М.Герсеванова (г. Москва)

Доктор технических наук, профессор Уздин Ачександр Михайлович - Петербургский государственный университет путей сообщения (г. Санкт-Петербург)

Ведущая организация

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

(г. Москва)

Защита состоится/^ (/¿{¿йф^ЮХ 1 г. в 0 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 при ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул.,21, аудитории № 406-407.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева».

Автореферат разослан « 2011

года

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Иванова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Механическое уплотнение грунтов является эффективным способом улучшения физико-мехаиических свойств оснований в грунтовых сооружениях. В своих работах: Герсеванов Н.М., Флорин В.А., Маслов H.H., Савинов O.A., Иванов ПЛ., Далматов Б.И., Бере-занцев В.Г., в том числе ныне работающие: Ильичев В.А., Абелев М.Ю., Тер-Мартиросян 3.F., Бадьин Г.М., Бугров А.К, Мангушев P.A., Гольдин А.Л., Улицкий В.М., Курбацкий E.H., Уздин A.M., Белаш Т.А., Дудлер И.В., Крутое В.И. и зарубежные профессора: Терцаги К. (Austria - USA), Seed Н.В. (USA), Ishihara К. (Japan), Dembicki E. (Poland), Жусупбеков А.Ж. (Казахстан), Усманов P.A. (Таджикистан) и другие указывали на это обстоятельство.

Уплотнение фунтов позволяет существенно увеличить несущую способность основания и крутизну откосов грунтовых сооружений, уменьшить фильтрацию как в пределах всего сооружения, так и через отдельные его элементы, обеспечить устойчивость структуры грунтов при воздействии динамических (сейсмических, волновых, фильтрационных и т.п.) нагрузок и т.д., тем самым, повысить надежность и экономичность сооружений.

При динамическом воздействии на слабосвязные водонасыщенные грунты имеют место два ярко выраженных процесса, вначале происходит их разжижение, а затем гравитационное уплотнение. Для уплотнения грунтов основания мощностью (более 2 м) должны применяться глубинные методы динамического уплотнения. Однако, технические решения по их практическому применению имеют значительные недостатки, что потребовало их совершенствования.

Задача по подготовке слабосвязных грунтов оснований актуальна для возведения дамб и фунтовых плотин в щдроэнергетическом строительстве, при устройстве оснований на намывных территориях для фажданского и промышленного строительства, в мостостроении, в дорожном и других видах строительства.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка новых технических решений по совершенствованию глубинных методов динамического уплотнения песчаных фунтов оснований для возведения сооружений, а так же расширение области их применения для других слабосвязных фунтов сооружений.

Научная новизна работы заключается в разработке эффективных технических решений глубинных методов уплотнения слабосвязных грунтов оснований для возведения зданий и сооружений и состоит из методов:

1. Последовательного взрывания зарядов при уплотнении песчаных фунтов оснований (Пат. № 2060320);

2. Уплотнения песчаных грунтов оснований тяжелой двухмассной трамбовкой (Пат. и ах. №№ 1770525 и 1320329);

3. Уплотнения песчаных грунтов оснований модернизированной виброустановкой типа «елочка» (Пат. № 2135690);

4. Защиты близлежащих зданий и сооружений при использовании динамических методов глубинного уплотнения путем аэрирования водона-сыщенного грунта по периметру уплотняемого основания (Пат. № 1770526).

5. Оценки методов зондирования уплотненных водонасьнценных песков оснований и даны рекомендации по их применению.

Обоснована эффективность применения разработанных новых технических решений глубинного уплотнения оснований для возведения сооружений из песчаных грунтов и других слабосвязных фунтов (зольных и гравийно-галечниковых, каменной наброски и горной массы с порами заполненными леском) в различных видах строительства.

Внедрены разработанные технические решения глубинного уплотнения песчаных грунтов оснований для возведения сооружений различного назначения.

Задачи исследований. Для достижения намеченной цели необходимо было решить следующие задачи, основные результаты выполнения которых выносятся на защиту:

1. Сравнительными теоретическими и экспериментальными исследованиями, полевыми испытаниями доказать:

а) эффективность метода последовательного взрывания зарядов по сравнению с одновременным;

б) преимущества двухмассных тяжелых трамбовок различных вариантов исполнения, в том числе по сравнению с традиционными одномассными;

в) преимущества применения для уплотнения грунтов модернизированного виброуплотнителя по сравнению с установкой конструкции ВНИИГСа.

г) эффективность защиты близлежащих зданий и сооружений при аэрировании грунта по периметру основания, уплотняемого глубинными динамическими методами.

2. Проанализировать результатами сравнительных полевых испытаний различных методов зондирования для оценки качества уплотнения песков в подводной зоне укладки.

3. Обосновать необходимыми теоретическими и экспериментальными исследованиями эффективность применения глубинных динамических методов для уплотнения зольных и гравийно-галечниковых грунтов, укладки песчаных грунтов в интенсивно движущийся поток жидкости и для заполнения пор каменной наброски и горной массы песком оснований для возведения сооружений.

4. Внедрить разработанные новые технические решения глубинного уплотнения песчаных оснований для возведения сооружений на гидротехническом объекте общегосударственного значения - комплексе защитных сооружений г. Санкт-Петербурга от наводнений.

Достоверность и обоснованность полученных результатов основаны на соответствии теоретических разработок данным лабораторных и полевых исследований.

Практическая ценность результатов работы заключается в широком внедрении методов глубинного уплотнения песчаных грунтов оснований (взрывами, тяжелыми трамбовками, глубинного виброуплотнения) на строительстве комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений и разработке и исследовании принципиальных предложений с реальной перспективой их внедрения на строительстве различных гидротехнических сооружений и других объектов гражданского, промышленного, дорожного и др. видов строительства.

Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в анализе недостатков известных глубинных методов уплотнения грунтов оснований и обосновании преимуществ предложенных технических решений глубинного уплотнения оснований для возведения сооружений, а так же разработке новых технических решений глубинных методов уплотнения фунтов оснований.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационных исследований представлялись и докладывались автором на VI и VII Всесоюзных конференциях «Динамика оснований, фундаментов и надземных сооружений» (г. Нарва, 1-3 октября 1985 г. и г. Днепропетровск, 25-27 сентября 1989 г.); на VIII Международной конференции «Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений» (г. Ташкент, 25-27 сентября 1994 г.); на заседании объединенного Совета лабораторий № 136 и 137 ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (04 сентября 1987 г.); на заседании секции «Основания и грунтовые сооружения» ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (27 декабря. 1993 г.); на вторых - шестых Савиновских чтениях в Петербургском государственном университете путей сообщения и ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 23-26 июня 1997 г., 27-30 июня 2000 г., 29 июня - 02 июля 2004 г., 29 июня - 03 июля 2007 г., 29 июня - 02 июля 2010 г.); на Международной конференции по геотехнике (Санкт-Петербург, 16-19 июня 2008 г.); на расширенном заседании секции «Основания и фунтовые сооружения» ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (23 октября 2008 г.); на заседании кафедры «Подземные сооружения» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) (20 января 2011 г.), на расширенном заседании кафедры

«Подземные сооружения, основания и фундаменты» СПб ГПУ (26 апреля 2007 г.) и (11 марта 2011 г.).

Публикации. По направлению исследований диссертации опубликовано 40 работ, из них более 30 непосредственно по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы (192 наименования), приложения, включающего сравнительные расчеты глубин и зон виброуплотнения грунта, достигаемой плотности грунта основания при использовании виброустановки конструкции ВНИИГСа и модернизированной конструкции виброуплотнителя, материалы фактического и перспективного внедрения.

Работа общим объемом 393 стр., содержит 96 рисунков и 23 таблицы, приложение на 21 стр.

Автор выражает глубокую благодарность коллегам в научных и учебных организациях работникам подрядных и проектных организаций, служб заказчика, с кем ему пришлось взаимодействовать в процессе работы над диссертацией и внедрения ее результатов.

Особую благодарность автор диссертации выражает Н.В. Арефьеву, E.H. Беллендиру, B.C. Беляеву, В.Н. Бухарцеву, O.K. Воронкову, А.Л. Голь-дину, В.Б, Глаговскому, В.Н. Жиленкову, Д.В. Козлову, В.Н. Парамонову, О.М. Финагенову, В.Б. Штильману, которые приняли участие в 2009 г. в обсуждении доклада по первой редакции работы. Их конструктивные замечания и предложения учтены в диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагается основное направление исследований, приведены сведения о структуре и объеме диссертационной работы.

В первой главе обоснована актуальность темы для гидротехнического и других видов строительства, приведен обзор предшествующих разработок по глубинному динамическому уплотнению грунтов оснований, ставятся задачи работы.

Отсыпка и намыв песчаных грунтов оснований в тело дамб и плотин, образование новых территорий путем намыва массивов песчаных грунтов оснований на слой слабых пойменных, в основном глинистых грунтов, устройство песчаных подушек при замене грунтов (илов, торфов и т.п.), практически непригодных для использования в качестве грунтов основания, и т.д. широко применяется в строительстве.

Не останавливаясь на очевидной необходимости уплотнения песчаных грунтов оснований (как впрочем, и других) при их отсыпке «насухо» отметим следующее. 4

Анализ состояния водонасыщенных песчаных фунтов оснований, намываемых свободным намывом и отсыпкой под воду показывает, что независимо от гранулометрического состава они укладываются с плотностью скелета в рыхлом сложении или близкой к этому. Относительная плотность песков подводного намыва оснований составляет 7д= 0,1 - 0,3; причем наиболее рыхлое сложение дают нижние слои подводного намыва и отсыпки.

При строго организованном надводном намыве может быть достигнута плотность укладки песков оснований /д = 0,4. Однако последующие перемещения осушенных масс песков при планировке основания способствует их разрыхлению и очень рыхлой укладке.

При возведении дамб и плотин из песчаных фунтов, бетонных сооружений и зданий на формируемых песчаных площадях, прокладке инженерных сетей в, их теле, строительстве дорог и устройстве железнодорожных путей на них и т.п. требуется уплотнение фунтов до заданной проектной плотности.

По данным проф. ПЛ. Иванова, только уплотнение песчаных фунтов оснований до относительной плотности Уд > 0,6 гарантирует устойчивость их структуры от большинства динамических и, тем более, статических воздействий. Разжижение песчаных фунтов основания становится маловероятным, фунт практически не реагирует даже на взрыв.

Кроме того, исключаются неравномерные осадки основания, его просадки, образование воронок и т.п. в слое фунта основания при воздействии динамических (сейсмических, волновых, фильтрационных и т.п.) нафузок на грунты песчаного основания.

К настоящему времени в нашей сфане и за рубежом разработаны следующие методы уплотнения песчаных фунтов оснований.

Сейчас в отечественной практике наибольшее распространение получили вибрационные катки зарубежного производства. Применение виброкатков позволяет обычно обеспечить уплотнение фунтов оснований слоями по 30 - 50 см.

Для глубинного динамического уплотнения фунтов оснований в практике строительства используются взрывной метод, тяжелыми трамбовками и вибрационной установкой конструкции ВНИИГСа. Другие методы уплотнения оснований либо исследованы в лабораторных и полевых опытах, либо апробированы в единичном случае в строительстве.

Выбор того или иного метода уплотнения основания определяется, прежде всего, фунтовыми условиями и площадью обрабатываемого участка основания. Технико-экономические показатели различных методов динамического уплотнения оснований представлены в диссертации.

Инициаторами метода уплотнения фунтов оснований тяжелыми трамбовками являются российские специалисты. Еще в 50-е годы в НИИ

5

оснований и подземных сооружений Ю.М.Абелевым и В.Б.Швецом была разработана инструкция по поверхностному уплотнению оснований тяжелыми трамбовками.

Известны исследования и отечественный опыт (Хархута Н.Я., Ставницер Л.Р., Костельов М.П., Галицкий В.Г., Лычко Ю.М., Сваров-ский В.Н. и др.) применения тяжелых трамбовок для уплотнения маловлажных фунтов оснований.

С 70-х годов, благодаря широко разрекламируемому зарубежному опьггу уплотнения грунтов оснований мощной толщи тяжелыми и сверхтяжелыми трамбовками фирмы «Луи Менар» (Франция), интерес этому методу вновь возрастает и в нашей стране.

В практике строительства уже применялись тяжелые и сверхтяжелые трамбовки массой 10 - 40 т, в отдельных случаях даже 200 т, сбрасываемые с высоты от 10 до 40 м.

Впервые в нашей стране метод динамического уплотнения водона-сыщенных футов оснований мощной толщи (до 10 м) был применен в начале 80-х годов на строительстве Загорской ГАЭС (Зарецкий Ю.К., Вуцель В.И., Гарицелов М.Ю. и др.) при подготовке основания дамбы верхнего бассейна.

Для уплотнения просадочных лессовых фунтов основания (Рабинович И.Г., Багдасаров Ю.А. и др.) была апробирована трамбовка в 24 т, сбрасываемая с высоты 9,5 м.

В настоящее время для динамического уплотнения оснований во всем мире используются одномассные трамбовки.

Недостатком одномассных тяжелых трамбовок является тот факт, что увеличение глубины уплотнения основания может достигаться только при увеличении массы и высоты сбрасывания такой трамбовки и, как следствие, необходимости применения все более мощных, дорогостоящих и дефицитных фузоподьемных механизмов.

Кроме того, при взаимодействии таких трамбовок с поверхностным слоем фунтов основания образуются значительные зоны сдвига, приводящие к выпору и разрыхлению фунта на глубину 2 - 4 м, и следовательно, значительным неэффективным потерям энергии.

Впервые в 1987 году разработанная в мировой строительной практике и опробированная на строительстве КЗС автором диссертации тяжелая двухмассная трамбовка наряду с исключением выпора песчаного фунта основания позволила увеличить объем втрамбованного песчаного фунта и глубину уплотнения основания на 30% по сравнению с одномассной трамбовкой при одинаковой их массе и высоте сбрасывания. При этом как показали теоретические исследования достижение той же глубины уплотнения основания одномассной трамбовкой может бьпъ получено только при увеличении массы или высоты ее сбрасывания в 1,5 -2 раза.

Однако испытания первоначального варианта двухмассной трамбовки выявили недостатки её конструктивного исполнения, приводящие к существенной неравномерности осадок фунта основания под наружной и внутренней частями этой двухмассной трамбовки.

С 1949 г. уже более 60 лет кафедра «Подземные сооружения, основания и фундаменты» Санкт-Петербургского политехнического университета является признанным лидером в области разработки метода уплотнения слабосвязных грунтов оснований взрывами.

Первые опытные работы в натурных условиях на водонасыщенных песках были выполнены П.Л.Ивановым под руководством В.А.Флорина на строительстве Волжской ГЭС, а в дальнейшем - под руководством П.Л.Иванова его учениками и сотрудниками (Крутов А.П., Трунков Г.Т., Горелик Л.Ш. и др.) на многочисленных объектах гидротехнического строительства.

Уплотнению подвергался широкий спектр слабосвязных грунтов оснований: от пылеватых супесей до среднезернистых песков, галечника и каменной наброски.

Родоначальником взрывного метода уплотнения просадочных лёссовых фунтов оснований является И.М.Литвинов в Украине.

В последствии они получили развитие Аскаровым Х.А. и Ядгаро-вым З.Х., Тахировым И.Г., Рузиевым А.Р. и Усмановым P.A., Мусаэля-ном A.A. и Вильфендом А.Г. для уплотнения таких фунтов в Таджикистане и Узбекистане.

За рубежом широкое использование взрывного метода уплотнения оснований начинается только с 1960 г. фирмами США на различных объектах как в самой стране, так и за ее пределами.

В 70-е годы взрывной метод уплотнения, получает дальнейшее развитие в Польше под руководством проф. Dembicki Е.

С осени 1986 года под научно-методическим руководством П. Л .Иванова начинается внедрение метода взрывного уплотнен ия песчаных фунтов оснований на строительстве КЗС - комплекса защитных сооружений г. Санкт-Петербурга (Ленинфада) от наводнений.

На практике наибольшее распространение получил способ глубинных взрывов оснований.

Способ уплотнения фунтов оснований глубинными взрывами заключается в последовательном пофужении на каждой захватке зарядов взрывчатых веществ (ВВ) на заданную глубину основания с определенным шагом. После пофужения всех зарядов обычно производится монтаж сети и одновременный взрыв зарядов в каждой очереди.

Количество очередей взрывов для достижения плотности основания Уд > 0,6 составляет 3-4. Это требует пофужения до 100 зарядов на площади основания около 2000 - 2500 м2, что представляет основную трудоемкость при уплотнении фунтов этим способом.

Однако совершенствование технологии погружения зарядов является явно недостаточным для качественного улучшения самого метода.

Пространственный уплотнитель продольного вибрирования, получивший в дальнейшем общепринятое краткое название «виброелочка» был создан ПД.Лобасовым в 1960 году во ВНИИГСе (Всесоюзный ВНИИ гидромеханизации, санитарно-технических и специальных строительных работ).

Данная разработка базировалась на богатом опыте крупнейших российских специалистов в области вибротехники, в частности погружения свай виброметодом, Д.Д. Баркана и О.А.Савинова и теории вибрационных процессов (И.И.Блехман, И.И.Быховский, Ю.И.Нейрмак и др.).

Анализ известного опыта уплотнения песчаных грунтов оснований виброустановкой ВУУП-6 конструкции ВНИИГСа показывает, что толщина уплотняемого слоя основания составляет 4 - 6 м. После уплотнения относительная плотность основания достигала значительных величин (7д = 0,75 - 0,96), а угол внутреннего трения грунта 45°.

Глубина уплотняемого слоя основания может быть увеличена при использовании в качестве вибровозбудителя взамен вибропогружателя В-401 (конструкции О.А.Савинова и А.ЯЛускина) более мощного ВШ-1 конструкции ВНИИГСа (МГ.Цейтлин, В.В.Верстов, Г.ПАзбель) или сверхмощных зарубежного производства (фирм «Soilmec» - Италия, «Мюллер» - Германия).

Однако, данные вибропогружатели при их использовании для указанных целей значительно уступают вибропогружателю В-401.

В связи с этим является актуальный поиск других направлений совершенствования данного метода уплотнения, в частности, путем совершенствования конструкции уплотнителя.

Материалы обзора литературных источников и накопленного опыта показывают, что в настоящее время имеются предложения по совершенствованию конструкции виброуплотнителя. Данные совершенствования направлены как на повышение жесткости виброуплотнителя (Светинский Е.В., Строганов A.C. и др.), так и расширение диапазона самого метода, в том числе для нагнетания закрепляющих растворов в грунты основания, уплотнения тонко-дисперсных песков оснований (Дудлер И.В. и др.). Все эти усовершенствования базируются на работе виброустановки конструкции ВНИИГСа. Однако они сделаны без глубокого анализа процесса уплотнения фунтов основания такой виброустановкой.

Проведенный автором диссертации анализ предшествующих работ показал, что необходимо совершенствование существующих и разработка новых динамических методов глубинного уплотнения, прежде всего, для слабосвязных, в том числе водонасыщенных грунтов оснований.

Вторая глава посвящена исследованиям по уплотнению водона-сыщенных грунтов оснований методом последовательного взрывания зарядов.

На начальном этапе внедрения взрывного метода уплотнения песчаных грунтов оснований на строительстве КЗС по результатам опытно-производственных испытаний и рекомендациям Ю.Иванова предпочтение отдавалось методу одновременного взрывания зарядов в каждой очереди. Считалось, что рекомендуемая последовательность взрывания способствует наиболее эффективному разрушению структуры грунта за счет повышения интенсивности динамического воздействия при наложении ударных волн.

По предложению автора диссертации были проведены сравнительные теоретические и опытные испытания метода одновременного и последовательного взрывания зарядов.

Преимущества последнего метода, основывались как на учете известных эффектов) развития фильтрационных сил в процессе консолидации грунта и прохождения ударной волны по частицам разжиженного и нестабилизированного грунта, так и на явлении многократного разрушения структуры грунта как в близлежащих зонах между взрывами зарядов, так и в пределах уплотняемого основания.

Поясним сказанное теоретическими исследованиями автора диссертации по. взаимодействию зон разжижения грунта при последовательном взрывании зарядов.

Согласно исследованиям П.Л.Иванова расчетная зона разжижения и последующего уплотнения грунта при взрыве единичного заряда Д4 определяется соотношением:

д к=Ек™1, (1)

где ст (р„^ - давление ударной волны от взрыва, передающейся на скелет грунта основания; ст (угр) - статические напряжения в скелете фунта на заданной глубине уплотнения основания.

В формуле (1) максимальное давление ударной волны, передающееся на скелет песчаного фунта определяется по формуле В.А. Флорина:

о( + , {2)

(М + М + Рск)

где т - 1 - и, рт, (Зв, рск - соответственно коэффициенты объемной сжимаемости минеральных частиц, воды и скелета грунта основания.

К примеру, для характерных песков с пористостью п = 0,42 рт = 0,5x10"4 МПа, |3В = 0,5x10"3 МПа и рск = 2х10"2 МПа величина ст (рмах) = 0,01 рмах.

Для водонасыщенных песков с незначительным содержанием в них защемленного газа максимальное давление ударной волны (рмах) в грунтах основания определяется по формуле Г.М Ляхова:

= 60,Ох

Гзл/с

чШ

К

(3)

где С - масса заряда ВВ, кг; /{-расстояние от центра заряда.

При этом вертикальные статические напряжения в скелете грунта основания на глубине Ъ с учетом взвешивающего действия воды определяются как

°(У,р) = (У,-У»)а-и)2, (4)

где у„ у№ - удельный вес грунта и воды; п - пористость грунта Данное соотношение ПЛ. Иванова аналогично формуле:

А

профессора Сида (США), именуемое им как коэффициент циклического нагружения, связывающий сдвигающие динамические нагружения -СдИН. от внешней нагрузки и статические напряжения а„ в скелете грунта основания. Формула Сида используется для выявления условий опасного разжижения грунта основания при землетрясении.

Результаты наложения расчетных зон разжижения для двух рядом расположенных зарядов по составленной программе на ПК показывают (рис. 1), что в промежутках между взрывами существует «мертвая зона», неподверженная разжижению грунта.

Расстояние между зарядами, м I г э * 5 6 7 а

Рис. 1. Графики зависимости глубины разжижения грунта основания от расстояния от центра взрыва зарядов при последовательном взрыве двух рядом расположенных зарядов с интервалом времени А1>1ут: 1 - зона разжижения грунта от взрыва первого заряда, 2 - тоже, второго заряда, 3 - «мертвая зона», неподверженная разжижению грунта основания

При последовательном взрыве соседних зарядов с заданным интервалом времени, д? меньшем, чем время консолидации /уп от взрыва предыдущего заряда не только ликвидируется вышеуказанная неразжи-женная зона, но и возможно повторное воздействие последующего заряда на ранее консолидированный слой от взрыва предыдущего заряда (рис.2). Это приводит к многократному разжижению и уплотнению грунта в пределах уплотняемого основания без увеличения массы единичного заряда и заданной глубины уплотнения основания.

Расстояние между зарядами, м

Рис. 2. Графики зависимости глубины разжижения грунта основания от расстояния от центра взрыва зарядов при последовательном взрывании двух рядом расположенных зарядов с интервалом времени Ы '■ 1 - зона разжижения грунта от взрыва первого заряда; 2 - тоже, в процессе консолидации грунта за время А(, после взрыва первого заряда; 3 - зона разжижения грунта от взрыва второго заряда с интервалом Д? = 0,3/у„л; 4 - зона повторного разжижения грунта

основания

Для проведения полевых испытаний были выбраны на одной из дамб на строительстве КЗС два рядом расположенных участка основания. На первой площадке основания производилось одновременное взрывание всех зарядов в каждой из четырех очередей, а на второй - последовательное. Таким образом, на первой площадке одновременно взрывалось по 16 зарядов, собранных в единую схему с помощью детонирующего шнура (ДШ). На второй площадке основания (рис.3) каждый заряд в очереди взрывался отдельно последовательным «обходом» взрывником всех мест погружения зарядов. Разрыв между взрывами отдельных зарядов составлял 3-5 (до 10) мин.

Геодезические измерения осадок поверхности основания показали, что величина относительной осадки на площадке последовательного

11

взрывания после четырех очередей составила 0,052, а одновременного -0,039 для средних осадок на карте уплотнения основания и 0,065 и 0,091 для максимальных осадок.

Очень убедительными были результаты статического зондирования основания, проведенные автором диссертации с привлечением треста ЛенТИСИЗ. На первой площадке (см. рис. 4,а) сопротивление внедрению острия зонда изменилось лишь на 2 - 6 МПа, а на площадке последовательного взрывания (рис. 4,6) - увеличилось с 2 до 12 - 16 МПа, что свидетельствует о значительном уплотнении грунта основания.

о— 1— 22 ч- *42 1- ¡>- * 3? 1- ?—11 ,2. 15

34 ти "35 7 "Н )-II 4 2

1 ,1« 79 ? *2?

.13 8 '1?

,22 I в19 "и 1 "13

•I 12 1£ $

.15 *1? -3 1 Л 15

Рис. 3. План опытного участка уплотнения грунта основания последовательным взрыванием зарядов. Условные обозначения: круги ['О] - заряды 1-ой очереди, квадраты [ □ ] - заряды 2-ой очереди, кресты [X] - заряды 3-ей очереди, треугольники [Д] - заряды 4-ой очереди.

Цифровые обозначения: в числителе - порядковые номера поверхностных марок, в знаменателе суммарная осадка грунта поверхности основания после четырех очередей

взрывов, в см

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили по формуле В.А.Флорина консолидации слоя грунта основания определить наиболее эффективный временной интервал между последовательными взрываниями зарядов и границы грунтовых условий применения метода последовательного взрывания зарядов.

В результате было установлено, что эффект последовательного взрывания зарядов в грунтах уплотняемого основания максимально проявляется в песках с коэффициентом фильтрации Щ = (0,5хЮ"2 - 1x10"3) см/с и значениях интервала времени между взрывами зарядов (групп зарядов) А/ = (0,25 - 0,3) /у,,, где /уп - время уплотнения слоя фунта основания.

Конкретный интервал А? должен назначаться по результатам опытных работ, которые всегда должны предшествовать этапу производственного уплотнения основания.

Проведенное последующее уплотнение песчаных грунтов методом последовательного взрывания зарядов на строительстве КЗС в объеме более 2,0 млн. м3 уплотненного грунта подтвердило эффективность уплотнения водонасышенных песков оснований этим методом. При этом получены значения ^ от 8 до 18 МПа (10 МПа и более при 90% обеспеченности), что свидетельствовало об уверенном переводе мелких и средних песков в состояние средней плотности и плотное.

а) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 ср, ,МПа

Рис. 4. Графики зависимости сопротивления ¡?3 внедрению острия зонда от глубины Я его погружения в грунты основания по результатам статического зондирования песчаного грунта при одновременном (а) и последовательном (6) взрывании зарядов: 1 - до взрыва; 2 - после взрыва всех

В третьей главе проведены сравнительные теоретические исследования и полевые испытания известного варианта тяжелой двухмассной трамбовки и нового варианта ее конструктивного исполнения.

Теоретические исследования местных пластических деформаций грунтов основания были проведены на расчетной механической модели системы «двухмассная трамбовка - грунт основания» (рис.5).

Рис. 5. Конструктивная схема системы едвухмассная трамбовка -грунт основания»:

1 - общий вид двухмассной трамбовки; 2 и 3 - соответственно, наружная и внутренняя отдельные ударные части; 4 - плита с направляющими; 5 - невесомая пробка упруго-пластичного ограничителя перемещений

В этой модели поверхностный слой грунта основания заменялся упруго-пластическим ограничителем перемещений.

Коэффициент жесткости Кг этого ограничителя определялся по методике О.А.Савинова, используемой при расчете фундаментов машин с динамическими нагрузками, а предельное сопротивление вдавливанию /?„р по формулам В.Г. Березанцева теории предельного равновесия; причем подсчеты /?пр для удара внутренней части двухмассной трамбовки производились с учетом пригрузки величиной от наружной ее части. Неупругие сопротивления колебаниям системы задавались модулем затухания Фг.

На данной модели были проведены сравнительные расчеты известного и разработанного варианта двухмассной трамбовки. Принципиальное их отличие заключается в том (см. рис.5), что в известном варианте удар первой части производится по грунту основания по всей площади подошвы двухмассной трамбовки, а второй (внутренней) - через плиту, перекрывающую центральное отверстие в наружной ее части. В разработанном же варианте удар обеих частей двухмассной трамбовки производится непосредственно по грунту основания. 14

Результаты проведенных расчетов показывают, что величины остаточных осадок поверхности основания разработанного варианта двух-массной трамбовки всегда превышает таковые по сравнению с ранее известной, что свидетельствует о её большей уплотняющей способности.

Кроме того, величины этих осадок, как под наружной, так и под внутренней её частями могут быть (при заданных рабочих параметрах) близки по величине, что повышает равномерность уплотнения грунта основания под подошвой трамбовки.

Теоретическое обоснование интервала времени между ударами отдельных частей двухмассной трамбовки производилось исходя из сопоставления зон уплотнения грунтов основания при взрыве и ударе трамбовки.

При этом считалось, что удар второй части двухмассной трамбовки должен производиться в момент времени завершения прохождения поперечных волн на полупространстве в зоне уплотнения первой части двухмассной трамбовки, вызывающих сдвиговые деформации водона-сыщенного песчаного фунта основания.

На основании этого была получена зависимость для определения интервала Д/, связывающая основные рабочие параметры двухмассной трамбовки (вес наружной ее части £) и высота сбрасывания Н) и модуля сдвига фунта основания различного гранулометрического состава песчаных фунтов, в виде:

и

где К = 0,2 с2/м3; <3 - динамический модуль сдвига грунта основания, равный 32, 24, 18 МПа, соответственно для песков крупных, средних и мелких.

Кроме того, автором вводится офаничение интервала времени между ударами отдельных частей двухмассной трамбовки, позволяющее исключить отскок наружной ее части при ударе с тем, чтобы использовать эффект пригрузки грунта основания массой наружной ударной части при ударе внутренней для исключения выпора и разрыхления поверхностных слоев грунта основания.

В проведенных теоретических исследованиях данный предельный интервал Дг2 задавался равным времени полного (удвоенной величины упругого и остаточного) перемещения наружной части двухмассной трамбовки за один цикл ее колебаний.

Предлагаемый образец нового варианта двухмассной тяжелой трамбовки прошел опытно-производственные испытания по уплотнению песков основания в объеме около 500 тыс.м'' на строительстве КЗС. Основные результаты уплотнения показали, что осадка грунта основания под подошвой двухмассной трамбовкой была практически одинакова и существенна. В результате уплотнения достигалась очень высокая плот-

ность грунтов основания в пределах уплотняемого слоя. Сопротивление внедрению острия зонда я3 в целом превысило 14 - 20 МПа.

На основании данных полевых испытаний установлено, что соотношение масс внутренней и наружной ударных частей должно составлять 1: (1 - 1,5). При этом площади их подошвы должны находиться в пределах отношения 1: (1,5 - 3,0).

Проведенные теоретические исследования и полевые испытания позволили выработать рекомендации по назначению рабочих параметров двухмассной трамбовки для заданных фунтов основания.

В четвертой главе изложены исследования по уплотнению грунтов оснований виброустановкой модернизированной конструкции.

При поиске метода уплотнения песчаного грунта основания в теле дамбы на строительстве КЗС сразу на всю глубину уложенного слоя основания 9 м (5 м водонасыщеннош грунта в подводной зоне перекрытого четырех метровым слоем маловлажного грунта) в качестве основополагающей использовалась установка конструкции ВНИИГС.

Данная виброустановка включала вибропогружатель ВШ-1 и уплотнитель, к которому по всей длине уплотнения были приварены горизонтальные ребра. Вода к патрубку подавалась насосом с возможностью регулирования параметров производительности и напора с помощью заслонки. В качестве базовой машины использовался кран.

При уплотнении фунтов основания выявилась невысокая надежность этой виброустановки из-за частого выхода из строя вибропофужателя. Поэтому конструкция уплотнителя была изменена

Видоизменение конструкции уплотнителя заключалось в срезке верхних горизонтальных ребер и сохранения их только на участке в 3,5 - 4,5 м в нижней часта штанги виброуплотнителя, так как это показано на (рис.6).

Сравнительные теоретические исследования по виброуплотнению песчаных грунтов установкой конструкции ВНИИГСа и модернизированной конструкцией виброуплотнителя производились на разработанной впервые автором диссертации расчетной модели.

В данной расчетной модели, основанной на результатах исследований О.А.Савинова. И.И.Блехмана по виброуплотнению сыпучих сред, автором диссертации для определения радиуса зоны наилучшего виброуплотнения для заданной частоты колебаний вибропофужателя устанавливается критическая величина амплитуды колебаний А= Аг фунта, возбуждаемых виброуплотнителем в уплотняемом грунтовом массиве

Ло>2 = (0,9Н-1)я, (6)

где А - амплитуда вибрации; со - круговая частота колебаний, g - ускорение свободного падения.

При этом, согласно исследованиям В.А.Членова и Н.В.Михайлова, И.А.Кунина и В.Ф.Хона, учи тывается, что для вязких сред амплитуда вибраций убывает с расстоянием от источника колебаний по экспоненциальному закону

г

А=Ае&, (7)

откуда г _ г , (8)

С„А. ¿„А 4 А,

где /• - расстояние от источника колебаний; 8 - коэффициент определяемый экспериментально.

Рис. 6. Расчетные зоны и глубины уплотнения грунта основания:

1 - виброустановкой конструкции ВНИИГСа,

2 - модернизированным виброуплотнителем

Известно, что амплитуда колебаний вибрирующего элемента А0 приближенно определяется отношением величины вынуждающей силы Р0 вибропогружателя к массе от вибрирующего элемента умноженной на квадрат круговой частоты со.

Данная величина по предложенной автором диссертации уменьшается на величину динамического сопротивления грунта основания

где ти - масса вибропогружателя; туп„ - масса виброуплотнителя; Р™" -

сила динамического сопротивления трению; Р^™'- сила динамического лобового сопротивления.

При этом, согласно исследованиям М.Г.Цейтлина и В.В.Верс-това принимается, что при вибропогружении динамическое сопротивление снижается в 4,5 - 6 раз по боковой поверхности уплотнителя и в 2,5 - 3 раза по его острию по сравнению со статическим сопротивлением трению Р^" по боковой поверхности уплотнителя и лобовому Р^™

его сопротивлению, определяемые по СНиПу 2.02-85 - Свайные фундаменты.

Полученные теоретические зависимости позволили проведенными расчетами установить (рис.6) возможность не менее, чем в 1,5 раза увеличить глубину уплотнения (с 6 м для виброустановки конструкции ВНИИГСа до 9,53 м при использовании виброуплотнителя модернизированной конструкции) при сохранении зоны уплотнения, равной 3 м, неизменной.

Достигаемая величина глубины уплотнения еще более увеличивается в 2 раза (до 12 м) при уменьшении диаметра зоны уплотнения до 2,58 м (рис.6), тогда как виброуплотнитель конструкции ВНИИГСа не может быть даже погружен на данную глубину уплотнения при использовании традиционного для этих целей вибропогружателя ВПП-2 конструкции О.А.Савинова.

Теоретическая зависимость для расчета достигаемой плотности грунта основания по величине его пористости при послойном виброуплотнении принимается автором диссертации по аналогии с зависимостью В.А.Флорина для консолидации разжиженного слоя грунта под действием гравитационных сил после взрыва

(9)

та2 (т. + т.

(тв+т)Т1Л)(2цГГ

г,

где и2 и щ -конечная и начальная пористость грунта; - начальный коэффициент фильтрации грунта; /упл - время послойного виброуплотнения;, #"1 = 1 м - толщина уплотняемого слоя эквивалентная одному метру.

Однако, с учетом постоянного градиента напора уплотняемого слоя грунта основания за время виброуплотнения, в данной формуле, опираясь на теоретические зависимости П.Л.Иванова, по предложению автора диссертации это учитывается увеличением времени консолидации слоя грунта в 2 - 3 раза

С^2-3Апл. (11)

Проведенные расчеты для характерного графика виброуплотнения грунта установкой ВНИИГСа (рис.7) показали существенный разброс данных по достигаемой плотности грунта с Уд= 0,3 в нижележащем слое основания до Уд= 0,9 к поверхности основания за счет значительной! разницы времени виброуплотнения по глубине уплотняемого основания.

Рис. 7. Графики времени виброуплотнения фунтов основания: 1 - виброустановка конструкции ВНИИГСа; 2 и 3 - модернизированный виброуплотнитель при высоте Ь размещения пространственных элементов виброу плотнителя в нижней части по штанге, равной соответственно 1/3 и 1/2 /гуп, гдей,п -глубинауплотнения основания.

Обозначения: 1 - стадия погружения; 11 - выдержка; III - стадия извлечения виброуплотнителя конструкции ВНИИГС

Применение модернизированного виброуплотнителя (рис. 7) позволяет выравнивать время виброуплотнения фунта по глубине уплотняемого основания и, тем самым, существенно сократить разницу величин пористости фунта при возможности достижения плотного сло-

жения скелета песчаного грунта основания JR> 0,6. При этом графики 2 и 3 (см. рис. 7) на стадии подъема построены на основе участка III графика 1 для виброуплотнителя конструкции ВНИИГСа для соответствующей высоты размещения пространственных элементов в нижней части штанги модернизированного виброуплотнителя.

Испытания модернизированного уплотнителя с вибропогружателем В-401 показали, что модернизированный уплотнитель легче погружается в грунт основания и извлекается из него.

По данным статического зондирования глубина уплотнения основания составила 9 м. При этом достигалось более равномерное уплотнение грунта как в центральной зоне основания, так и в радиусе 1,5 м. Кроме того, грунт не разрыхлялся в центральной зоне вокруг уплотнителя за счет размыва поверхностного слоя песка основания напором воды.

Вышеуказанное наиболее наглядно подтвердим сравнением данных статического зондирования по оси погружения уплотнителя.

Как видно из рис. 8 до уплотнения сопротивление внедрению острия зонда в надводной зоне основания составляло от 3,5 до 8 МПа. После уплотнения установкой конструкции ВНИИГС разброс данных по q3 в целом и надводной зоне составлял от 1,5 до 25,5 МПа; причем повышение плотности в низлежащем слое по показателю q3 не превышало 6,5 МПа, а на глубину до 2 м от поверхности произошло снижение этого показателя до 1,5 МПа.

0 4 8 12 16 20 24 Ч^МПа

Рис. 8. Сравнительные графики зависимости сопротивления q% внедрению острия зонда от глубины Я его погружения в грунты песчаного основания по данным статического зондирования: 1 - до уплотнения основания, 2,3 - после уплотнения основания конструкцией ВНИИГС (2) и модернизированной конструкцией (Л)

По данным статического зондирования (см. рис. 8) после уплотнения модернизированной установкой песчаного тела дамбы в объеме 300 тыс.м3 сопротивление внедрению острия зонда q3 повысилось в целом по всей глубине обрабатываемого слоя основания до 9 -14 МПа.

Анализ проведенных исследований позволил определить, что размещение h радиальных элементов уплотнителя в нижней его штанге должно назначаться в пределах (1,5 - 2) м < h <0,5 Н, где Я - глубина уплотнения основания, при этом разница коэффициентов фильтрации в пределах высоты h должен составлять (0,8 - 1,2) Ю*' см/см, а показателей плотности Уд или <7з (0,1 - 0,2) и (2 - 5) МПа соответственно.

Таким образом, проведенные теоретические исследования и опытно-производственные испытания показали, что предложенное новое техническое решение позволяет при заданных параметрах вибропогружаю-щих механизмов увеличить глубину и улучшить равномерность уплотнения грунта.

В пятой: главе излагается метод защиты близлежащих зданий и сооружений от сейсмодинамического воздействия при использовании глубинных; динамических методов уплотнения грунтов оснований.

Поясним сказанное схемой на рис. 9. В пределах рассматриваемого участка основания 1 по периметру зоны уплотнения 2 создается экран 3, представляющий собой аэрированный грунт основания, отличающийся от характеристик грунта основания 2. Экран 3 создают с помощью погружаемой вибратором 4 трубы в грунты основания 5, перфорированной в нижней своей части. При этом динамическое воздействие в намеченных местах 6 будет вызывать образование отраженных волн в грунтах основания.

Рис. 9. Пояснительные схемы к изоляции грунтового массива путем аэрирования грунта: а - план площади подготавливаемого основания; 6 - схема осуществления процесса аэрирования грунта

В теоретических исследованиях для условия лабораторного эксперимента была рассмотрена задача о распространении упругих волн в полубесконечном грунтовом стержне, содержащем низкомодульную упругую вставку. Полубесконечную часть стержня, расположенную за низкомодульной вставкой, заменим эквивалентным демпфером.

Решение задачи было осуществлено методом операционного исчисления.

В результате были получены выражения для вычисления смещений в сечениях первого щ и второго и2 участков стержня.

Для проведения численных расчетов необходимо задать значения динамических характеристик аэрированного фунта основания, в частности модуля его упругости.

В результате расчетов с использованием полученной формулы установлено соотношение, равное 40-60 раз, между Егр аэрированного во-донасыщенного песка при относительном содержании воздуха £ = 0,01 -0,05 и незначительным содержанием воздуха. Данные соотношения подтверждаются экспериментальными исследованиями Г.МЛяхова по распространению волн при взрывах в водонасыщенных песчаных грунтах с содержанием воздуха менее 0,1% и при его содержании порядка 4%, которая составляет соответственно 1600 м/с и 200 м/с.

Данные предварительных лабораторных опытов показали возможность введения воздуха в водонасыщенные песчаные фунты основания до его объемного содержания 4 - 5%.

На основании этого полученные численные значения деформаций стержня позволяли ожидать при экспериментальных исследованиях снижение амплитуд колебаний фунта за фаницей зоны аэрирования в 2,5 -3 раза.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде, который включал в себя металлический удлиненный бак.

Трамбующий фуз представлял из себя стальной диск. Грунт основания отсыпался в воду, налитую в бак.

Для измерения колебаний фунта основания применялись сертифицированные датчики ускорения марки ДУ-5, входящие в комплект виброизмерительной аппаратуры ВИ6-5М. По согласованию с ВНИИГ-Сом была использована аппаратура из лаборатории вибрации (зав. лабораторией, проф. Цейтлин М.Г., измеритель Изофов В.О).

Датчики пофужались в верхний слой фунта основания на различных расстояниях от центра удара трамбовки, производящихся в одном из торцов бака.

Всего было проведено 6 опытов с записью более 200 осциллограмм.

Для характерной осциллографической записи ускорений колебаний поверхности фунта основания датчиками по обеим сторонам от се-

чения, в котором производилось аэрирование грунта основания, максимальные ускорения колебания в зоне уплотнения основания составляли 1158,2 мм/с2 при аэрировании грунта. Произведенные расчеты по формуле А (2л/)2, где А - амплитуда колебаний грунта основания, IV, ускорение и частота его колебаний, показали, что амплитуда колебаний соответственно равна 59,6 мкм.

За пределами места аэрирования грунта основания произошло снижение ускорений колебаний до 700,3 мм/с2. Амплитуда колебаний соответственно уменьшилась до 20,6 мкм, т.е. почти в 3 раза.

Во всех опытах получено совпадение результатов лабораторных опытов с данными теоретических исследований для условий лабораторного эксперимента.

Учет в теоретических исследованиях затухания параметров волн деформаций при распространении от центра взрыва сосредоточенного заряда в полупространстве, в том числе в пределах толщи аэрированного слоя грунта, показывает уменьшение ускорений колебаний за аэрированным экраном по сравнению с его отсутствием в 6 - 15 раз, что соответствует снижению уровня балльности на 2 - 3 единицы по СНиПу для сейсмического строительства.

Проведенные ориентировочные расчеты свидетельствуют, что безопасное расстояние до близлежащих зданий и сооружений при наличии аэрированного сейсмозащитного слоя может быть снижено, как минимум, на несколько сот метров.

Шестая глава посвящена контролю качества уплотнения водона-сыщенных песков оснований.

Если в грунтах маловлажных и влажных такая задача решается путем отбора образцов грунта в каждом укладываемом слое песчаного основания, то в водонасьпценных - вообще невозможно.

В настоящее время для оценки свойств грунтов водонасьпценных песков оснований применяются различные косвенные методы, в частности различные методы зондирования оснований: статическое и ударное, вибрационное и взрывное. Однако существующие нормативные документы не разграничивают их применение для определения плотности грунта после уплотнения песчаного основания и грунтов естественных песчаных оснований, когда структурная их прочность может существенно влиять на данные зондирования.

С учетом вышеизложенного, в зоне строительства КЗС по предложению автора диссертации были проведены сравнительные исследования по оценке свойств и плотности подводной укладки песчаных грунтов оснований с использованием различных методов зондирования.

Исследования по статическому зондированию и виброзондированию велись с привлечением Санкт-Петербургского треста инженерно-

строительных изысканий, а ударному зондированию - 19-й экспедиции Санкт-Петербургского отделения института «Гидропроект» им. С.Я.Жука.

Для выполнения исследований были выбраны три площадки песчаного основания по длине дамбы.

В целом при статическом зондировании были получены достаточно близкие результаты, равные по 8 - 12 МПа, при использовании установок СП-59 и более современной «ПИКА-10», конструкции НИИОСПа.

В результате динамического зондирования зафиксировано снижение сопротивлению внедрению зонда рд до 4 - 7 МПа при ударном и до 1-3 МПа при виброзондировании по сравнению с данными статического зондирования.

Для сравнения данных зондирования основания с непосредственным отбором образцов в грунтах основания, использовались таковые, полученные путем водопонижения из намытой песчаной подушки с аналогичным гранулометрическим составом.

Сопоставление результатов свидетельствовало о том, что наблюдается тенденция к некоторому повышению Уд при отборе образцов грунта в фунтах основания.

Проведенные опытные испытания позволили установить, что косвенные методы зондирования можно применять для контроля качества уплотнения оснований.

Глава семь посвящена расширению области применения глубинных динамических методов уплотнения для других слабосвязных фунтов оснований для возведения сооружений.

В первом разделе главы 7 приводятся перспективы применения динамического уплотнения при укладке зольных фунтов.

Проведенные автором диссертации экспериментальные лабораторные исследования и анализ возведения золоотвалов и других соружений из зольных фунтов показали, что существуют большие перспективы практического применения глубинных динамических методов для уплотнения тела золоотвалов при «сухом» способе складирования, фунтов офаждающих дамб и в основании золоотвала при «сухом» и гидромеханизированном способе складирования, в дорожном сфоительстве и при возведении фунтовых сооружений с их применением.

По лабораторным исследованиям автора диссертации при динамическом уплотнении оснований из зольных грунтов угол внутреннего трения увеличивается на 8 - 12°, а коэффициент сцепления до 0,04 - 0,06 МПа, при этом коэффициент фильтрации снижается до полупорядка.

Во втором разделе главы 7 обоснована целесообразность использования двухмассных фамбовок для возведения крупных плотин.

Анализ возведения гидротехнических объектов по типу плотины Ир-ганаиской ГЭС показал, что существуют большие перспективы для внедре-24

ния тяжелых двухмассных трамбовок для уплотнения грунтов оснований при возведении камеи но-набросных плотин в узких каньонах из гравийно-галечниковых фунтов. С ее помощью могут быть успешно решены задачи по качественному и дешевому способу сопряжения тела плотины и бортов каньона, плотин различной очереди возведения, подводному уплотнению русла реки, основного тела плотины слоями большой толщины и другие.

Кроме того, это позволит производить качественный и оперативный экспресс-контроль плотности укладки фавийно-галечниковых фунтов по величине «контрольного отказа» фунтов основания взамен очень трудоемкого метода «шурф-лунка».

Проведенные подсчеты показали, что объем уплотнения фамбов-кой может составлять не менее 15% общего объема насыпи плотины при условии уплотнения основного тела плотины виброкатками.

Для осуществления метода трамбования были разработаны рабочие чертежи производственного образца двухмассной трамбовки с повышенным удельным статическим давлением 0,035 МПа на фунты основания.

Двухмассная трамбовка общей массой 10 т состоит из коаксиально расположенных наружной 1 и внутренней 2 ударных частей.

Конструкция разработанного производственного образца двухмассной трамбовки представлена на рис. 10,

¿А

гав-д

Рис. 10. Конструкция двухмассной тяжелой трамбовки для уплотнения фунтов оснований

Работа двухмассной фамбовки производится следующим образом. Тяговое усиление лебедки фузоподъемного механизма передается через проушину к внуфенней части фамбовки. В свою очередь внуфенняя

масть при движении вверх в обечайке трубы зацепляет упоры наружной части. После этого вся двухмассная трамбовка поднимается на высоту сбрасывания.

При сбрасывании двухмассной трамбовки первой с поверхностью грунта основания соударяется наружная ее часть по подошве в виде кольца, а затем с некоторым заданным интервалом времени А( внутренняя.

В третьем разделе главы 7 изложены исследования уплотнения песчаных грунтов оснований при намыве в текущую воду.

В качестве основного метода динамического уплотнения песчаного ядра нефтеплатформ типа «остров» автором диссертации был предложен взрывной метод.

Однако, существенно ограниченные сроки возведения таких нефтеп-латформ на северном континентальном шельфе кратковременным летним периодом потребовало поиска принципиально новых методов уплотнения оснований.

Проведенные автором диссертации экспериментальные исследования подтвердили выдвинутую им гипотезу о повышении плотности укладки песчаных грунтов основания при использовании кинематической энергии ламинарного потока воды. При отсыпке песка средней крупности в водный поток со средней горизонтальной скоростью 10 - 15 см/с достигнута средняя плотность его сложения.

Дальнейшая разработка натурных установок, способных вызывать движение и колебания водного потока при отсыпке и намыве грунта основания, может позволить либо достигнуть заданной плотности для сооружений (или их части) некоторого типа, либо сократить трудоемкость последующего применения динамических методов уплотнения оснований.

В четвертом разделе главы 7 представляется разработка взрывного метода заполнения каменной наброски основания песком в подводной зоне с попутным уплотнением песка.

Взрывной метод оснований оказался единственно возможным для заполнения пор каменной наброски и горной массы в основании и его уплотнения в подводной зоне тела дамбы на строительстве КЗС.

Проведенные автором диссертации теоретические исследования предложенного метода уплотнения такого основания с учащенной сеткой взрывания зарядов показали, что это позволяет обеспечить возможность его реализации для указанной цели за счет значительного увеличения глубины и радиуса уплотнения основания.

В результате обработки взрывами в дальнейшем исключаются осадки песчаного грунта профиля на данном участке дамбы и нарушения покрытия основания автодороги за счет движения фильтрационного потока по порам горной массы и каменной наброски при наводнении.

В целом проведенные исследования в гл.7 в приложении к объектам гидротехнического строительства показали, что существуют большие перспективы для расширения области применения разработанных глубинных динамических методов для уплотнения различных грунтов оснований для возведения сооружений.

Заключение

1. В соответствии с поставленной целью разработаны новые технические решения (Пат. и а.с. №№ 1770525,1770526,2060320,2135690,1300091, 1320329,1511622) по совершенствованию глубинных методов динамического уплотнения песчаных фунтов оснований для возведения зданий и сооружений.

2. В завершенных натурных экспериментах доказана эффективность запатентованного метода последовательного взрывания зарядов (Пат. 2060320) по сравнению с одновременным.

Кроме того метод последовательного взрывания зарядов позволяет сэкономить взрывчатые вещества и существенно снизить величины динамического воздействия от взрывов на коренные породы лежащие ниже.

3. Полевые исследования уплотнения фунтов тяжелыми трамбовками (в том числе известной по разработкам автора) двухмассной тяжелой трамбовкой, показали их существенные недостатки.

Предлагаемый вариант двухмассной трамбовки (Пат. 1770525 и а.с. 1320329) позволяет на 30% увеличить глубину и объем втрамбованного фунта по сравнению с одномассной трамбовкой при равной их массе и высоте сбрасывания, а так же обеспечить большую осадку грунта под подошвой обоих ударных частей по сравнению с известным вариантом двухмассной трамбовки.

4. Опытно-производственные испытания виброустановки конструкции ВНИИГС с пространственным уплотнителем в виде «елочки» показали ее существенные недостатки.

Указанные недостатки виброустановки исключаются или существенно снижаются при модернизации конструкции, путем размещения радиальных элементов в нижней части штанги виброуплотнителя (Пат. 2135690).

Данное решение позволяет не только обеспечить более легкое внедрение уплотнителя в грунт и его виброизвлечение, но и сохранить уплотняющую способность уплотнителя и улучшить равномерность уплотнения фунта по всей глубине уплотнения.

Кроме того, глубина выброуплотнения увеличивается при использовании модернизированного виброуплотнителя в 1,5 - 2 раза по сравнению с конструкцией ВНИИГСа.

5. Расширение области безопасного применения глубинных методов динамического уплотнения водонасыщенных грунтов песчаных оснований для возведения сооружений может быть достигнуто при создании экрана на пути распространения упругих волн вдоль границы зоны уплотнения. Одним из способов создания такого экрана, является изоляция уплотняемого массива путем нагнетания в грунт воздуха (Пат. 1770526).

Экспериментально установлено, что воздух способен стабильно сохраняться в фунтовом массиве в пределах некоторой полосы по всей её высоте как в статическом состоянии, так и при достаточно значительных динамических воздействиях в течении промежутка времени, соизмеряемого с уплотнением фунта основания.

6. Для окончательной оценки достигнутой плотности укладки песков по данным статического или ударного зондирования должна быть построена корреляционная зависимость между параметрами статического <7з (&) или ударного рд зондирования и плотностью р^ (степенью плотности Уд).

7. Выполненные исследования показали (на примере объектов гидротехнического строительства), что существуют большие перспективы динамического уплотнения зольных и фавийно-галечниковых фунтов, каменной наброски и горной массы с порами, заполненными песком, песчаных фунтов при совмещении операций намыва и уплотнения грунтов оснований.

8. Новые технические решения реализованы на строительстве комплекса защитных сооружений г. Санкт-Петербурга от наводнений.

9. Дальнейшее применение глубинных методов уплотнения оснований на многочисленных объектах гидротехнического, фажданского, промышленного, дорожного и железнодорожного строительства и т.д. во много раз увеличит экономический эффект. Задачей последующих исследований является экономическое обоснование тех или иных методов уплотнения в различных регионах мира.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Минаев, О.П. Перспективы применения тяжелых двухмассных трамбовок для уплотнения грунтов / О.П.Минаев, О.А.Савинов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1990. - № 4. - С. 9-12.

2. Минаев, О.П^ Совершенствование установки продольного вибрирования для уплотнения песчаных фунтов / О.П.Минаев, О.А.Саинов // Основания, фундаменты и механика грунтов -1991. - №1. - С. 8-10.

3. Минаев, О.П. Эффективный метод уплотнения водона-сыщенных фунтов взрывами / О.П.Минаев // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1993. - № 2. - С.17-19.

4. Минаев, О.П. Оценка качества уплотнения водонасыщенных песков зондированием / О.П.Минаев // Основания, фундаменты и механика фунтов. - 1994,- № 4. - С. 17-20.

5. Минаев, О.П. Эффективный метод динамического уплотнения слабосвязных водонасыщенных фунтов / О.П.Минаев // Основания, фундаменты и механика фунтов. - 2002. - № 6 - С. 14-18.

6. Минаев, О.П. Исследование возможности увеличения скорости погружения свай при использовании двухмассного молота// Основания, фундаменты и механика фунтов, 1985. - № 2. - С. 14-16.

7. Минаев, О.П. Глубинное уплотнение песчаных фунтов виброустановкой модернизированной конструкции / О.П.Минаев // Основания, фундаменты и механика грунтов - 2003.- № 6.- С.18-19.

8. Минаев, О.П. Развитие виброметода уплотнения фунтов в строительстве / О.П. Минаев // Основания, фундаменты и механика фунтов.-2011. №4. С. 39-42.

9. Минаев, О.П. Разработка метода уплотнения песчаных водонасыщенных фунтов взрывами в зимних условиях / О.П.Минаев, А.П.Крутов // Гидротехническое строительство. 1993.-№7. - С.43-46.

10. Минаев,; О.П. Перспективы применения динамического уплотнения при укладке золошлаковых материалов и подготовке оснований под золоотвалы / О.П.Минаев // Гидротехническое строительство. - 1995. №2-С. 27-31.

11. Минаев, О.П. Совершенствование параметров виброуплотнения фунтовых масс / О.П.Минаев // Вестник фажданских инженеров. -2008.-№ 2(15).-С.67-71.

12. Минаев, О.П. Определение плотности уплотнения песков зондированием/ О.П.Минаев// Развитие городов и геотехническое строительство: труды международной конференции по геотехнике. - Т.З. -СПб., 2008.-С.321-324.

13. Уплотнение песчаных водонасьпценных грунтов тяжелыми двухмассными трамбовками / О.А.Савинов, ПЛ.Иванов, А.А.Равкдн, О.П.Минаев // Изв. ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. - 1986.-Т.189. - С. 85-90.

14. Пат. № 1770525 РФ, МКИ Е 02Д 3/046. Рабочий орган для динамического уплотнения грунтов / О.П.Минаев, ОА. Савинов, ЮХСевенард, ПЛ.Иванов. -Заявл. 23.02.90; опубл. в Б.И. 23.10.92, №39.

15. Пат. № 1770526 РФ, МКИ Е 02Д 3/10. Способ уплотнения грунта/ О.П.Минаев, О.А.Савинов, Ю.К.Севенард, П.Л.Иванов. - Заявл. 23.02.90; опубл. в Б.И., 23.10.92, №39.

16. Пат. № 2060320 РФ, МКИ Е 02 Д 3/10. Способ уплотнения слабосвязных фунтов взрывами/ О.П.Минаев, А.П.Крутов. - Заявл. 05.03.1993г., опубл. в Б.И. 20.05.96, №14.

17. Пат. № 2135690 РФ, МКИ Е 02ДЗ/054 . Способ глубинного виброуплотнения песчаных фунтов / О.П.Минаев, Ю.К.Севенард, Е.М.Перлей, А.И.Соснин. - Заявл. 13.03.98; опубл. в Б.И. 27.08.99, № 24.

18. A.c. 1300091 СССР, МКИ Е 02 Д 3/046. Установка для подводного уплотнения грунтов / А.А.Равкин, О.А.Савинов, О.П.Минаев, К.А.Степанов, М.Я.Рафальская,-Заявл. 18.10.1984; опубл. в Б.И. 30.03.87, №12.

19. A.c. 1320329 СССР, МКИ Е 02Д 3/046. Способ уплотнения фунта трамбованием / А.А.Равкин, О.А.Савинов, М.Павчич, О.П. Минаев, ПЛ. Иванов, Н.Ф.Ройко.- Заявл. 08.07.85; опубл. в Б.И. 30.06.87, №24.

20. A.c. 1511622 СССР, МКИ G 01N 1/04. Устройство для отбора образцов фунта / А.А.Каган, И.В.Корниенко, Н.Ф. Медведев, О.П.Минаев, В.В.Никитин. - Заявл. 04.01.88; опубл. в Б.И. 30.09.89, № 36.

Типография ООО «Наша Марка». 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21. Объем 2,0 п.л. Тираж 100. Заказ 14.