автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Повышение несущей способности оснований набивных свай взрывофугасным вытеснением грунтов

ПЕШСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Б0Р03ЕНЕЦ Леонид Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЙ НАБИВНЫХ СВАЙ ВЗРКЗСЖГАСНКМ ВЫТЕСНЕНИЕМ ГРУНТОВ

05.23.02 - Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пермь, 1994 г.

Работа выполнена

в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Ю.А.СОБОЛЕВСКИЙ.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор В.И.ФЁКЛИН;

- кандидат технических наук, доцент Б.С.ЮШКОВ.

Ведущая организация - НИЙОСП им. Н.М.Герсеванова.

Защита состоится июня 1994 года в /^часов на заседании специализированного совета К 063.66.02 в Пермском государственном техническом университете. Адрес: 614600, ГСП-45, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29а, ауд. 423.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

»» ¿Я- 1994 г.

Учёный секретарь сцециализированного совета доктор технических наук,

профессор Г.Б.КУЗНЕЦОВ

-ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш. Проблема повышения несущей способности оснований набивных свай выдвигает необходимость разработки новых рациональных конструкций свай, объективных методов расчёта и эффективных способов улучшения качества оснований. Отечественный и мировой опыт показывает, что наибольшей несущей способностью обладают основания набивных свай в грунтовытесненных скважинах- Однако массовое применение таких свай сдерживается отсуствием технически средств, способных преодолевать сопротивления грунтов при их вытеснении из объёма скважин и уширений, а также формировать их состояние на более высоком качественном уровне.

В настоящее время изготовлены конструкции набивных свай во взрывофугасных скважинах, несущая способность которых в 1,6... 1,8 раза выше несущей способности равноразмерных буровых свай в одинаковых грунтовых условиях. При этом отсутствие исследований работы оснований набивных свай во взрывофугасных скважинах, надёжных методов расчёта их несущей способности и деформации, а также объективных методов проектирования установок взрывофугасно-го вытеснения грунтов служит препятствием к широкому распространению полученного опыта в строительном производстве. В связи с этим разработка темы диссертации представляется актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является исследование повышения несущей способности оснований набизных свай взрывофугасным вытеснением .грунтов, разработка методики расчёта оснований набивных свай и методики проектирования конструктивно-технологического решения взрывофугасного вытеснения грунтов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изготовление конструкций свай в буровых и взрывофугасных скважинах;

- определение несущей способности свай во взрывофугасных скважинах и сравнение её с несущей способностью буровых свай по данным натурных статических испытаний;

- обследование зон принудительно изменённого взрывофугасным вытеснением состояния грунтов;

- разработка методики расчёта несущей способности и осадки свай в буровых и взрывофугасных скважинах на действие осевых вда-

влиявших- нагрузок;

- разработка способа и установки взрывофугасного вытеснения грунтов, её изготовление и испытание на проходке взрывофугасных скважин;

- разработка методики проектирования конструктивно-технологического решения взрывофугасного вытеснения грунтов;

- оценка эффективности повышения несущей способности оснований набивных свай взрывофугасным вытеснением грунтов.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования работы оснований набивных свай во взрывофугасных скважинах на действие осевой вдавливающей нагрузки, а также взрывофугасного вытеснения грунтов, которые позволили:

- определить показатель повышения несущей способности оснований свай во взрывофугасных скважинах по сравнению с разноразмерными буровыми сваями;

- установить размеры зон принудительно изменённого взрывофугасным вытеснением состояния грунтов и характер изменения их физико-механических характеристик;

- разработать методику расчёта несущей способности и деформации оснований свай в буровых и взрывофугасных скважинах;

- разработать методику проектирования установки взрывофугасного вытеснения грунтов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- получена возможность повышения несущей способности свай по грунту;

- разработана методика расчёта несущей способности и деформации оснований набивных свай в буровых и взрывофугасных скважинах при действии на них осевых вдавливающих нагрузок, которая более объективно учитывает действительную работу оснований данных свай;

г разработана методика проектирования установки взрывофугасного вытеснения грунтов, которая будет содействовать дальнейшему поиску и совершенствованию в области взрывофугасного вытеснения грунтов, а Факже его применению и распространению в строительстве.

Результаты исследований использованы при проектировании взрывофугасной грунтовытесняющей установки УВГ-410/3200, включённой в Координационный план общеминистерской тематики развития науки и техники на 1984-1990 годы Минстроя и Минсевзапстроя СССР.

Экономический эффект. Рационачьной областью применения взры-вофугасного вытеснения грунтов могут служить глинистые грунты от твёрдой до мягкопластичной консистенции. При устройстве набивных свай во взрывофугасных скважинах расчётный годоеой экономический эффект составляет 82,2 тыс. руб. (в ценах 1984 г.) по сравнению с устройством свай в буровых скважинах.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института (Минск, 1979, 1980, 1981), Саратовского политехнического института (1985), Пятой Всесоюзной научно-технической конференции по динамике оснований, фундаментов и подземных сооружений (Ташкент, 1980), научно-практических конференциях "Геотехника По-волая - I" (Саратов, 1981) и "Геотехника Поволжья - 3" (Казань, 1986), Межреспубликанской научно-технической конференции "Геотехника - 5" Белорусской, Латвийской, Литовской и Эстонской ССР (Минск, 1982), научно-техническом совещании КТО Стройиндустрии (Саратов, 1985), заседаниях секций Научно-технических советов Минсевзалстроя СССР (Москва, 19881, БНШОСПа им. Н.М.Герсеванова (Москва, 1990), Второй Всесоюзной конференции по проблемам свайного фундаментостроения в СССР (Одесса, 1990).

Публикации. По результатам рабо1Ы опубликована 21 статья и получено четыре авторских свидетельства СССР на изобретения.

На защиту выносятся:

- результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований несущей способности оснований набивных свай в буровых и взрывофугасных скважинах и состояния изменённых взрывофугаснкм вытеснением грунтов околосвайных зон;

- методика расчёта несущей способности и деформации оснований свай, разработанная на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований; ' •

- методика расчёта конструктивно-технологического решения взрывофугасного вытеснения грунтов, разработанная на базе теоретически и экспериментально полученных данных;

- основные выводы и рекомендации, сделанные на основании теоретических и экспериментальных исследований.

Структура и объём работы. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, библиографию и приложения. Работа содержит 269 страниц, 55 рисунков, 39 таблиц, 251 формулу, список ли-

тературы из 177 наименований, в том числе, четыре иностранных.

Диссертация выполнена на кафедре "Основания, фундаменты и инженерная геология" Белорусской государственной политехнической академии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, представлены результаты исследований, которые выносятся на защиту.

В первой главе проводится краткий обзор исследований, посвя-щённых изучению взаимодействия свай с основаниями и действия энергии взрыва в грунтах. В обзоре результатов изучения взаимодействия свай с грунтами оснований описываются экспериментально-теоретические исследования изменения состояния и качества грунтов при физическом заглублении свай. С результатами исследований оснований свай можно ознакомиться в научных трудах А.А.Бартоломея, Б.В. Бахолдина, С.Я.Бокенкова, К.И.Добровольского, G.G.Meyerhof, С.Н.Потапова, К.Н.Раткевича, В.И.Фёклина, В.К.Чернова, В.Б.Шахи-рева, Б.С.Юпкова и др. Значительный вклад в развитие механики сдвига грунтов в основании свай внесли Н.М.Герсеванов, Н.А.Цыто-вич, В.Г.Березанцев, М.Н.Гольдштейн, М.И.Горбунов-Посадов, Б.И. Далматов, А.А.Бартоломей, Ю.А.Соболевский, ё.К.Лагсяин и др.

В обзоре результатов изучения действия энергии взрыва в грунтах освещаются подходы как- к экспериментальным исследованиям изменения состояния и физико-механических свойств грунтов в зоне влияния взрыва, так и к вопросам теоретического описания действия энергии взрыва в грунтах: моделирования поведения грунтов под взрывным воздействием с позиций различных теорий, определения форм и видов' влияния взрыва на состояние грунтов, расчёта массы зарядов, размеров полостей и зон принудительно изменённого состояния грунтов и времени расширения полостей до конечных размеров. Исследованиями действия энергии взрыва в грунтах занимались Ю.М. Абелев, Г.К.Акутин, Х.А.Аскаров, Е.Ю.Бродов, Г.А.Васильев, O.E. Власов, А.А.Вовк, С.С.Григорян, К.А.Гундарев, И.И.Даниленко, Г.П. Демидюк, Н.А.Евстропов, Н.В.Зволинский, П.Л.Иванов, А.Ю.Ишлинский, В.Г.Кравец, Д.М.Кушнарёв, А.Ф.Лебедев, И.М.Литвинов, Г.М.Ляхов, В.К.Пивоваров, Г.И.Покровский, Д.А.Романов, Г.В.Рыков, П.Л.Савич.

И.З.Степаненко, А.Г.Смирнов, М.Я.Сухаревский, Н.М.Сытый, К.С.Фёдоров, В.А.Флорин, Г.И.Чёрный и др.

Рассмотрены традиционные способы устройства свай и Фундаментов с использованием энергии взрыва (взрывоэнергетические способы) , сущность которых заключается в проходке скважин для размещения зарядов, изготовлении и размещении зарядов взрывчатых веществ, выполнении забойки скважин из свежеуложеиного бетона и подрыве зарядов. Разработкой данных способов и их исследованием занимались Вильгельми(Германия), В.Т.Головченко, И.Й.Даниленко, А.А.Дуга, В.К.Пивоваров, Д.А.Романов, Н.Симонов, Р.С.Шеляпин и др.

Существующие методы вытеснения грунтов по виду средств воздействия классифицируются на механические и взрывоэнергетические. Однако как механические, так и взрывоэнергетические способы вытеснения грунтов имеют существенные недостатки, из-за которых сдерживается их ширекее применение для устройства свай повышенной несущей способности по грунту. Проведённый обзор результатов вытеснения грунтов воздействием свай и взрывоэнергетическим способом показал, что в этих двух процессах характеры формирования зон принудительно изменённого состояния грунтов близки по природе и не противоречат друг другу по параметрам как напряжённо-деформированного состояния, так и физико-механических показателей. Выявленная идентичность результатов служит основой для совмещения этих двух процессов в одном взрывофугасном. В совмещённом взрыво^угас-ном процессе вытеснения грунтов недостатки механического и ззркво-энергетического способов полностью исключаются.

В соответствии с поставленной целью исключения недостатков традиционных методов вытеснения грунтов решались следующие задачи:

- осуществить с помощью камеры управление действием взрыва в грунте;

- получить с помощью управляемой энергии взрыва прямолинейную скважину цилиндрической формы заданного диаметра и камуфлет-ное уширение строгой осесимметрии.

-изолировать воздействие взрывной ударной волны на грунт и заглушить звуковой эффект путём подрыва заряда в камере;

- предусмотреть возможность образования предварительной ка-муфлетной полости давлением газов взрыва, истекающих из камеры;

- обеспечить формование сквачсины рабочим органом заданного размера, засиляемого в предварительно образованную камуфлетную полость, избыточным давлением газов взрыва, находящихся в камере;

- использовать для локального сотрясения структуры грунта микроударные волны, образующиеся при истечении газов высокого давления из сопла Лаваля;

, - предусмотреть совмещённый процесс взаимодействия рабочего органа и истекающих газов взрыва из камеры в грунт.

Сформулировано понятие процесса взрывофугасного вытеснения грунтов и представлен принцип его конструктивно-технологического решения.

"Во второй главе описаны технологии устройства и сравнительные исследования оснований опытных свай в буровых и взрьгвофугас-' ных скважинах. Технологически устройство свай в буровых и взрывофугасных скважинах отличается наличием специфических операций и оборудования при проходке скважин. Бурение скважин производилось ручным буром, взрывофугасные и камуфлетные взрывофугасные скважины проходились с помощью полевой макетной взрывофугасной грунто-вытесняющей установки УВГ-216/840. Было пройдено три буровых скважины диаметром 216 мм, глубиной по три. метра; пять взрывофугасных скважин диаметрами от 213 до 223 мм, глубиной от 2,88 до 3,29 м; четыре камуфлетных взрывофугасных скважины диаметрами стволов от 218 до 230 мм, глубиной от 2,9 до 3,1 м и камуфлетными уширениями диаметрами от 363 до 405 мм и высотой от 520 до 700 мм. Получены камуфлетные уширения сфероидально-цилиндрической, овальной и конической формы со строгой симметрией к продольной оси скважины. Скважины проходились в глинах и макропористых суглинках первого типа просадочности твёрдой, полутвёрдой итугопластичной консистенции. ,

С целью сопоставления несущей способности оснований набивных свай в буровых и взрывофугасных скважинах проводились натурные статические испытания несущей способности оснований свай на действие осевой' вдавливающей нагрузки по стандартной методике. В качестве загрузочной системы использовались специально изготовленная стальная балочная клетка, фундаментные бетонные блоки и гид-родомхраты. Результаты испытания•свай представлены в виде графиков зависимости осадок от нагрузок на рис. I для свай во взрывофугасных скважинах, на рис. 2 для буровых свай.

Изучение характера формирования зон состояния взрывофугасно грунтовытесненного основания проводилось статическим зондированием грунтов, инструментальной съёмкой депланации оснований, горизонтальной микропенетрацией грунтов, отбором проб и лабораторными

2 *

6 В Ю /2 м

/6

/<г

20 4О 60 80 № ЯО -/40 Ш

р,

X

ч > -1

\

-2

о \

АГЪ

Рис. I. Графики зависимости "нагрузка-осадка" взрывофугасных свай: I - свая В-1; 2 - свая В-2; 3 - свая В-9 (по боковой поверхности ствола сваи)

<¡7 2а зо 4о 60 70 Ю 90 /оо

Рис. 2. Графики зависимости "нагрузка-осадка" буровых свай: I - свая Б—I; 2 - свая Б-2; 3 - свая Б-3 (по боковой поверхности ствола сваи)

исследованиями грунтов. Статическое зондирование выполнялось установками с применением полевого комплекта аппаратуры "ПИКА-9", созданного во ВНКИОСПе им. Н.М.Герсеванова. Лобовое сопротивление статическому зондированию вокруг свай во взрывофугасных скважинах имеет нелинейный волновой характер изменения в зоне с пределами II...14 радиусов сваи - .. Остальные виды исследований проводились в траншее, отрытой по створу ряда свай, шириной около 1,2 м, глубиной до пяти и более метров на протяжении свыше 40 м. Инструментально снимались координаты подъёма дневной поверхности и внутреннего выпора по прослоям деформированных грунтов вокруг свай. Образцы грунтов для лабораторных исследований отбирались в виде монолитов, а также кольцами с зачищенной стенки траншеи. Отбор проб грунта кольцами проводился в точках, смежных с точками микропенетрации. Вокруг свай образуются близкие к цилиндрической форме зоны изменения Физико-механических свойств и остаточных деформаций грунтов с пределами до 10...14 Яс , а под нижними концами свай до 9... 10 /?с • Вокруг камуфлетного уширения с радиусом полости 18 радиусов заряда зона остаточных деформаций и изменения свойств грунтов распространяется на 10...II радиусов полости. Изменение Физико-механических свойств грунтов в зоне влияния взры-вофугасного вытеснения имеет нелинейный волнообразный характер, сходный с изменением при взрывоэнергетическом вытеснении: плотность грунтов у ствола свай увеличивается на 6...14 % по сравнению с естественной, наибольшие значения сцепления превышают природные в 1,8...2,1 раза. Кикропенетрация проводилась с .целью определения сопротивления грунтов горизонтальному Физическому заси-лению стального конуса в натурных условиях, апробирование грунтов осуществлялось микропенетрометром Я.А.Резникова. Изменение сопротивления грунтов горизонтальной микропенетрации распространяется до II...12 /?с , вдоль ствола оно имеет максимумы значений, расположенных на .расстоянии 6... 10 /?с » в области нижнего конца сваи -„ на расстояниях 6 и 10 .

Впервые апробированное в полевых условиях конструктивно-технологическое решение взрывофугасного вытеснения грунтов показало возможность надёжного управления действием энергии взрыва в грунте и рациональность совмещения процессов вытеснения грунтов воздействием свай и взрывоэнергетическим методом в одном взрывофугас-ном. Достигнутое управление формованием скважин и уширений при взрывофугасном вытеснении грунтов позволило получить конструкции

набивных свай с прямолинейными стволами цилиндрической формы и строго осесимметричными камуфлетными уширениями. Реализованное управление формированием зоны качественного улучшения состояния грунтов взрывофугасным вытеснением обеспечивает превютение критической нагрузки на основания свай во взрывофугасных скважинах в 1,6...1,8 раза по сравнению с естественными основаниями равнораз-мерных буровых свай.

Взрывофугасное вытеснение грунтов происходит за счёт уплотнения и деформации вниз, в стороны и вверх массива, а также сопровождается подъёмом дневной поверхности грунта и его внутреннего выпора аналогично с данными процессами при силовом заглублении индустриально изготовленных свай. Установленное соответствие процессов, явлений и результатов по формированию зон остаточных деформаций и изменения физико-механических свойств грунтов в этих зонах при силовом заглублении изготовленных свай, действии энергии взрыва в грунтах и взрывофугасном воздействии способствует обобщению и взаимоиспользованию полученных результатов в данных подходах к вытеснению грунтов.

В третьей главе рассматривается внутреннее сопротивление сдвигу и взрывофугасному вытеснению грунтов и проводятся сопоставительные теоретические исследования работы оснований свай в буровых и взрывофугасных скважинах. Концепция физической сущности угла внутреннего трения грунтов основывается на сравнении граничных значений углов внутреннего трения идеальных и реальных грунтов, а также на рассмотрении метода Кулона по определению прочностных характеристик грунтов. В результате устанавливается, что сцепление грунта не зависит от величины нормального давления и определяется неконсолидированным быстрым сдвигом без изменения пористости и влажности, позволяющее считать его сопротивлением ненарушенной структуры грунта, обусловленным жёсткими кристаллизационными и цементационными связями. Впервые раскрыта физическая сущность угла внутреннего трения грунта с выявлением углов внутреннего сопротивления грунтов сдвигу обратимо-связности, ориентируемости, вязкости, фрикционности, зацепляемости,.дилатангности, распорности, пластичности и пластичновязкости. При сдвиге грунта в зависимости от значения нормального давления находятся сопротивления фрикционности, распорности, вязкости, пластичности и пластичновязкости. Угол внутреннего трения грунта в действительности является завышенным общим параметром углов- внутреннего

сопротивления вязкости, фрикционности, распорности и удовлетворяется в физическом смысле лишь долей угла внутреннего сопротивления фрикционности. Следовательно, угол внутреннего трения грунта имеет чисто эмпирическую природу и является сугубо словесным понятием. Разработан метод определения углов внутреннего сопротивления грунтов, представляющих первооснову для развития теории расчёта несущей способности и деформации оснований свай.

Изменение состояния грунтов в процессе нагружения основания связывается с изменениями в структуре грунта и рассматривается, исходя из представлений упругости, пластичности и вязкости. В связи с этим установлены следующие стадии принудительного изменения состояния грунтов в основаниях: упругости, квазиупругости, квазиуп-ругопластичности, упругопластичности, упругопластичновязкости и пластичновязкости. В стадии лластичновязкости впервые выявлено пять фаз сопротивления нарушенной структуры грунтов сдвигу при нагружении оснований.

Нагружение оснований производится посредством свай. Сваи используются как методологические технические средства для исследований. Выдвинуты четыре гипотезы внутреннего давления и сопротивления грунтов при сдвиге в основаниях свай, представляющие концептуальную основу механики сдвига грунтов. Достоверность гипотез подтверждена примерами расчёта несущей способности свай по стадиям и их натурными испытаниями. Степень изменения внутренних давления и сопротивления грунтов от сцепления и удельного давления объёмной силы тяжести грунта характеризуется коэффициентами, выражаемыми тригонометр'/ческкми функциями углов сопротивления фрикционности, вязкости, пластичности и пластичновязкости, а также их сочетаниями путём сложения и умножения. Всего определено 59 теоретических коэффициентов внутренних давления и сопротивления глинистых и песчаных грунтов при сдвиге в основаниях, отображающих всё многообразие состояния грунтов по стадиям и фазам своего пребывания. Разработан метод определения предельных напряжений по стадиям и фазам состояния грунтов при сдвиге в основаниях свай, предназначенных к-использованию при разработке методов расчёта их несущей способности и деформации, а также размеров зон напряжёкно-дефор-мированного состояния.

Экспериментальные данные зависимости условного динамического сопротивления глинистых грунтов при зондировании от нормативного статического сопротивления аппроксимируются линейной зависимостью.

КУЛ . УП ,!/ЛВ

Рис. 3. Графики зависимости "нагрузка-осадка" буровой сваи Б-1: I - экспериментальный; 2 - расчётный; 3 - квазиупругости; 4 - нижнего конца; 5 - боковой поверхности; 6 - разгрузки сваи

КУ/7 Ь"7 , М£

--

20 ¿о 8о т\т №

/¿О 1Ъ0 2.03

2 1 1

1 1 1 ! 1 '

т Ч 6 г /О \ V

\ -3 - - л -2

— \ 1 ! 1 ...

42 — -

ми О

Рис. 4. Графики зависимости "нагрузка-осадка" сваи В-1: I - экспериментальный; 2 - расчётный; 3 - нижнего конца; 4 - боковой поверхности; 5 - квазиупругости

Теоретически установлено, что сопротивление грунтов взрывофугас-кому вытеснению равняется условному динамическому сопротивлению при зондировании.

Разработан метод расчёта несущей способности и деформации оснований свай на основе результатов натурных испытаний набивных свай в буровых, показанных на рис. 3, и взрывофугасных, показанных на рис. 4, скважинах-} а.также предложенных положений упругого, пластичного и вязкого состояния грунтов при сдвиге в основаниях свай, что позволяет:

- ртроить теоретические графики зависимости "нагрузка-осадка" сваи, нижнего, конца и боковой поверхности ствола сваи в отдельности; '

- установить, что нижний конец сваи включается в работу только с предела стадии квазиупругости;

- определить, что обратимая деформация грунта после его разгрузки по значению равняется осадке сваи на пределе стадии кьази-упругопластичности;

- рекомендовать предельную расчётную несущую способность и деформацию основания сваи принимать равной половинньм значениям суммарных, нагрузок и деформаций на стадиях квазиупругопласти-даос-ти и упругопластичности с целью повышения её значения.

При расширении скважин образуются зонь: принудительно изменённого со¿•'Ояни,; грунтов. Зоны классифицируются в соответствии со стадиями и фазами внутренних давления и сопротивления грунтов. Кавдая зона принудительно изменённого состояния грунтов характеризуется своим напряжённо-деФормированным пределом. Предложен метод расчёта зон напряжённо-деформированного состояния оснований вокруг свай при сдвиге грунта и скважин при взрывофугасном грунтовы-теснении, который позволил:

- установить, что внутреннее давление и сопротивление глинистых грунтов, а следовательно, и несущая способность основания свай, находятся в пропорциональной зависимости от размеров зон их напряжённо-деформированного состояния;

- определить, что размеры зон напряжённо-деформированного состояния грунтов зависят от радиуса сваи, внутреннего давления грунта на боковую поверхность сваи при её изготовлении и критерия напряжения на пределе данной стадии или Фазы состояния грунта;

- рекомендовать наряду с применением взрывофугасного вытес-

Рис. 5. Схема зон напряжённо-деформированного грунта вокруг сваи В-1 в процессе вытеснения грунта нижним концом: I - свая; 2 - границы зон

/7 а,

О

2Ш

Рис. 6. График зависимости "напряжение-радиус" пространственной зоны при вытеснении грунта нижним концом сваи В-1

иения грунтов с целью полной реализации максимально возможного отпора сцепления и объёмной силы тяжести грунта использовать техно-то гии укладки бетонной смеси в скважины под давлением и сохранения его в процессе твердения.

Значения внутреннего давления и сопротивления грунтов на пределе стадии упругопластичновязкости сваи, изготовленной во взрывофугасной скважине, в 2,2 раза выше, чем у буровой сваи, что является определяющим фактором повышения несущей способности оснований свай во взрывофугасных скважинах.

Схема зон напряженно-деформированного грунта и график зависимости "напряжение-радиус" пространственной зоны вокруг сваи во взрывофугасной скважине при вытеснении грунта нижним концом показаны, соответственно, на рис. 5 и б.

В четвёртой главе проводятся экспериментально-теоретические исследования конструктивно-технологического решения взрьгаофугас-ного вытеснения грунтов. Взрывофугасное вытеснение грунтов - процесс разрушения структуры, перемещения с переукладкой частиц и деформация грунта путём воздействия управляемой энергии взрыва. Управление энергией взрыва в грунте производится с помощью сква-жинообразователя - машины прямо поступательного действия, двигателями которой служат энергия взрыва и сила тяжести корпуса. На грунтовытесиение и изменение физического состояния грунтов около-скважинного пространства в мгновенно сменяющейся последовательности влияют ослабленная стенками взрывной камеры ударная волна, лидер камуфлетника, давление газон взрыва в кзь'уфлетной г.олост: , распор от формсьателя скважинь: к, наконец, последеГ:;:твие кокден-сатно-гакуумного взрыва с давлением сильного разряжения (вакууиа) и объёмным полем фильтрационных сил газовой смеси в грунте.

Способ проходки скважин взрквофугасным вытеснением грунтов получил название взрывофугасного грунтовытеснения скважин. Последовательность взрывофугасного грунтовытеснения скважины приведена на рис. 7. В процессе освоения способа взрывофугасного грунтовытеснения скважин производилась разработка, изготовление и испытание макетной полевой взрывофугасной установки УВГ-216/640. Проектирование установки базировалось на решении задач функционального назначения. Основное затруднение при проектировании скважинообра-зователей и установок в целом обусловливает отсутствие методов точного расчёта давления в камерах взрывания, их прочности, механического взаимодействия системы корпуса, фугасника и грунта. Пос-

Рис. 7. Последовательность взрьгаофугасного грунтовытеснения скважин: а - исходное положение скважинообразователя; б - процесс проходки скважины; в - завершение рабочего цикла; I - заряд; 2 -камера взрывания; 3 - фугасник; 4 - верхняя часть тороидальной зоны напряжённого грунта; 5 - калиброванное отверстие; 6 - прорези ствола; 7 - камуфлетник; 8 - цилиндрическая полость; 9 - ка-муфлетная полость; 10 - ствол скважины; II - корпус; 12 - дневная поверхность; - диаметр камуфлетной полости; Ыс - диаметр скважины; £ - глубина проходки скважины за одно взрывание заряда

тавленные задачи удовлетворялись конструктивными решениями сква-жинообразователя, копра,' затвора-зарядоносителя, заряда взрывчатого вещества,'способом инициирования взрыва. Проведённые проработки позволили скомпоновать узлы и детали с описанием их назначения и принципа работы. Определяется порядок работы установки и выделяются специальные к нему требования. Привлекательной-особенностью работы установки является использование экологически чистого взрыва.' Разработка, изготовление и работа макетной полевой взрывофугасной установки позволили выработать принципы подходов к её проектированию.

На основании уравнений Клайперона-Менделеева для давления идеальных газов и Ван-дер-Ваальса для давления реальных газов с учётом собственного объёма'молекул газов взрыва Сковолюма), фактического значения газовой постоянной, плотностей заряжания взрывчатого вещества и газов взрыва, геометрических соотношений радиусов, внутреннего камеры взрывания, и заряда взрывчатого вещества для цилиндрической симметрии разработан обоснованно достоверный метод точного расчёта давления продуктов взрыва в камерах скважи-нообразователей от детонации до конденсатно-вакуумного взрыва в процессе их давления на стенку камеры и совершения рабочего хода фугасника, что является исходной частью для дальнейшей разработки методов расчёта положений конструктивно-технологического решения взрывофугасного вытеснения грунтов.

Обосновано физическое явление впервые открытого конденсатно-вакуумного взрыва в камерах при камуфлетах, давшее возможность объяснить механизм негативных проявлений в грунтах, окружающих камуфлетную полость, определить изменение давления в его процессе и предложить конструктивные мероприятия для предупреждения его отрицательного эффекта в камерах при камуфлетах.

Предложена методика расчёта критерия .характера взрывного давления на стенки камер взрывания, который используется для определения принадлежности метода расчёта прочности стенок камер взрывания к статической теории. .Критерием служит соотношение периода собственных колебаний стенок камеры к промежутку времени действия давления продуктов-взрыва на её стенки, которое должно быть меньше или равно четырём единицам. Впервые введён радиус адекватности для предварительного выбора размеров допустимой охранной зоны от действия продуктов взрыва на. стенки камер в зависимости от их квазистатического давления, что исключает вариантность при проек-

тировании скважинообразователей.

Теоретически установлено, что в поперечном сечении толстостенные цилиндров внутреннего давления действуют усилия растяжения и изгиба, что более объективно отражает механизм его работы по сравнению с трактовкой Лямэ. В связи с этим разработан достоверный метод точного расчёта прочности стенок камер взрывания, что позволило сократить традиционную норму относительного расстояния, отношение внутреннего радиуса камеры к радиусу заряда, принятого больше или равным десяти единицам, до четырёх и менее в зависимости от механических свойств материала стенок и раскрыть истинный механизм напряжения и деформации'поперечного сечения толстостенного цилиндра при внутреннем давлении. В результате этого получена возможность разработки конструкции скважинообразователя и использования эффективной энергии взрыва для целей управляемого вытеснения грунтов.

С целью раскрытия сущности механического взаимодействия система, состоящая из корпуса, фугасника и грунта, анализируется с позиций статики, динамики и кинематики. В статике определяются активные силы, связи между материальными точками, реакции связей и равновесие системы. В динамике рассматриваются прямолинейное поступательное движение материальных точек и силы в качестве причины этого движения. В кинематике исследуются законы прямолинейного поступательного движения материальных точек без отражения причин движения, при этом искомыми являются путь, скорость, время и ускорение. Движение фугасника в начале пути является неравномерно ускоренным, а затем становится неравномерно замедленным. Графики движения корпуса установки изображены на рис. 8 и 9. Разработан метод расчёта механического "взаимодействия скважинообразователя и грунта, позволивший установить, что сила тяжести (масса) корпуса при ^левой отдаче должна равняться сумме действующей на корпус силы взрыва, пропорциональной массе фугасника, и силы сопротивления'. взрывофугасному вытесненмо грунта за вычетом силы тяжести фугасника. При допущении определённого значения отдачи корпуса и-потери некоторой части работоспособного хода фугасника масса корпуса может быть уменьшена в 4...5 раз по сравнению с расчётной при нулевой отдаче корпуса, с этим связывается уменьшение громоздкости и металлоёмкости установки. ' - •

В пятой главе определяется эффективность повышения- несущей способности оснований набивных свай взрыво|угасным вытеснением

--—=-.-- Осп-га- АЮЛ&Я'б

№ м/с /0 -

в

1

{у 2*4 1

/О 20 30 4о 60 70

Рис. 8. График зависимости "время-скорость" движения корпуса установки

0ст онаЗка доуг веника ■

80

О /О

30' \4д 50 60 70 80

Рис. 9. Графики зависимости "время-путь" движения корпуса: I - расчётный; 2 - экспериментальный

грунтов. С целью обеспечения наименьших затрат на взрывофугасное вытеснение грунтов производится оптимизация рабочего хода йугас-ника скважинообразователя по экономическим показателям. Методика определения оптимального значения рабочего хода фугасника заключается в расчёте экономических показателей при рабочих ходах, равных одному, трём, пяти, семи и II диаметрам скважин, имеющим значение 200 мм, а.также рабочих ходов, равных одному, трём и пяти диаметрам скважин со значениями 700 и 1200 мм. Рассчитываются приведённые затраты, затраты без стоимости взрывоматериалов и их стоимость. По расчётным данным строятся графики зависимостей указанных. экономических показателей от рабочего хода фугасника, выражаемого в единицах относительно диаметра скважины. По полученным оптимальным значениям рабочего хода фугасника при данном диаметре скважины строятся графики зависимости рабочего хода фугасника и приведённых затрат от диаметра скважины. Такие совмещённые графики позволяют легко определять оптимальное значение рабочего хода фугасника по любому данному диаметру скважины с одновременным определением приведённых затрат на проходку одного метра скважины. Анализ графиков позволил сделать следующие выводы:

- наименьшие приведённые затраты получаются при диаметре скважин 400 мм и рабочем ходе фугасника, равном 5,5 диаметров скважин, или 2200 мм;

- при уменьшении, равно как и при увеличении диаметра скважины, приведённые затраты увеличиваются: при диаметрах меньше 400 мм за счёт эксплуатации машин, при диаметрах больше 400 мм за счёт стоимости взрывоматериалов;

- с увеличением диаметра скважин от 400 мм оптимальное значение рабочего хода фугасника уменьшается, а с уменьшением диаметра скважин увеличивается, в абсолютном измерении возрастает.

По данной методике определялся рабочий ход фугасника при разработке технического задания на экспериментальный образец установки УВГ-410/3200.

Определение экономической эффективности от применения условной взрывофутасной грунтовытесняющей установки УВГ-500/3200 проводится по сравнению с буровой установкой С0-2 при проходке скважин диаметром 500 мм, глубиной 25 м с уширением диаметром 1600 мм. Затраты рассчитываются на один метр скважины и на одно уширение, предназначенных для устройства свай. Увеличение несущей способности оснований взрывофугасных скважин в 1,7 раза по сравнению с

основанием буровых скважин учитывается в расчёте экономической эффективности введением условных буровых скважин и уширений в количестве, равном числу взрывофугасных скважин и уширений, увеличенному в 1,7 раза. Таким образом в расчёте рассматриваются две буровые технологии: одна фактическая, другая условная, приведённая от взрывофугасной. Годовой объём работ одной установки:

- Буровой СО-2: скважин - II 051 м; уширений - 444 шт.

- Грунтовытесняющей УВГ-500/3200: скважин - 25 865 м; уширений - I 078 шт.

- Условной буровой СО-2, приведённой от взрывофугасной: скважин - 43 971 м; ■ уширений - I 832 шт.

Рассмотрены капитальные и текущие затраты. Капитальные затраты обусловлены балансовой стоимостью установок СО-2, УВГ-500/ 3200 и спецавтомобиля для перевозки взрывоматериалов в новой технике. Текущие затраты складываются из расходов на эксплуатацию установок, стоимости взрывоматериалов, основной зарплаты взрывников, стоимости аренды склада взрывоматериалов и их перевозки. Годовой экономический эффект в ценах 1984 года составляет 82,2 тыс. руб., планируемое высвобождение работающих в строительной организации - 10 человек, снижение себестоимости строительно-монтажных работ - 64,2 тыс. руб.

Проведено сравнение технико-экономических показателей устройства различных видов традиционных свай как буровых, так и грунто-вытесненных. Установлено, что стоимость, отнесённая на 100 кН сопротивления основания сваи, изготовленной во взрывофугасной скважине, получается по сравнению с другими видами свай наименьшей, что указывает на высокую эффективность действия управляемой энергии взрыва в грунтах.

ОСНОВНЫЕ ВШ0ДЫ

Впервые проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования работы оснований набивных свай в буровых и взрывофугасных скважинах на действие осевой вдавливающей нагрузки, а также конструктивно-технологического решения взрывофугасного вытеснения грунтов, в результате которых установлено следующее:

I. Несущая способность оснований набивных свай во взрывофугасных скважинах повышается в 1,6...1,8 раза по сравнению с несущей способностью оснований равноразмерных набивных свай в буровых

скважинах, а принудительное изменение состояния грунтов околоск-важинного пространства распространяется в пределах до 10...14 радиусов скважин и уширений.

2. Еведены новые понятия углов внутреннего давления и сопротивления вязкости, фрикционности, пластичности и пластичновязко-сти грунтов при сдвиге в основаниях для. определения напряжённо-деформированного состояния грунтов в любой стадии и фазе нагруже-ния оснований. Разработка стадий и фаз принудительного изменения состояния грунтов околоскважинного пространства, коэффициентов внутреннего давления и сопротивления грунтов при сдвиге в основаниях, пределов напряжений и размеров зон стадий и фаз, гипотез внутреннего давления и сопротивления грунтов при сдвиге в основаниях свай вносит определённый вклад в развитие теории упругости, пластичности и вязкости,а также механики сдвига грунтов.

3. Методика расчёта несущей способности и деформации оснований одиночных свай, разработанная с учётом предложенных положений теории упругости, пластичности и вязкости грунтов, позволяет строить графики зависимости осадки от нагрузки, в том числе, отдельно для нижнего конца и по боковой поверхности ствола сваи, определять предельную несущую способность оснований свай.

4. Предложена новая взрывофугаснэя технология проходки скважин и образования камуфлетных уширений, а также формирования обширной' зоны с качественно улучшенным состоянием грунтов околоскважинного пространства, в результате чего получаются фудаментные конструкции повышенной несущей способности по грунту, устраняются просадочные свойства в' массивах грунтов, упрочняются основания зданий и сооружений.

. 5. Конструкция взрывофугасной грунтовытесняющей установки и скв&жинообразователя обеспечивает управление действием энергии' взрыва в грунте, формованием прямолинейных цилиндрических скважин с осесимметричными камуфлетными уширениями и формированием зон принудительного изменения состояния грунтов околоскважинного пространства. Методика, расчёта конструктивно-технологического решения взрывофугасного вытеснения грунтов позволяет определять его оптимальные параметры, исключать вариантное проектирование установок и скважинообразователей.

6. Взрывофугасное вытеснение грунтов является эффективным технологическим процессом, который имеет ряд положительных характеристик:

- совмещает в одном взрывофугасном процессе принципы традиционного вытеснения грунтов заглублением свай и взрывоэнергети-ческим способом;

- исключает отрицательные признаки традиционных способов вытеснения грунтов и реализует положительные;

- позволяет использовать при работе управляемый, бесфугасный, сейсмически безопасный, бесшумный, экологически чистый взрыв.

7. Рациональной областью применения взрывофугасного вытеснения грунтов могут служить глинистые грунты от твёрдой до мягко-пластичной консистенции; при устройстве набивных свай в указанных грунтовых условиях себестоимость работ снижается в 2,3...2,5 раза по сравнению с устройством равноразмерных буровых свай.

Содержание диссертации опубликовано в 25 работах, из которых более важными являются следующие:

1. Основы расчёта силовой системы импульсной проходки скважин в грунтах. //Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений. Сб. мат. Пятой Всесоюзной конференции в Ташкенте. Т.1/.

- M.j ВНИИОСП им. K.M.Герееванова, 1981. - с. 177-179.

2. Устройство взрывонабивных свай в связных грунтах.//Инженерная геология, механика грунтов и фундаментостроение. Сб. тез. докладов межресп. конф. "Геотехника - 5" Прибалтийских республик и БССР/. - Минск, : БПИ, 1982. - с. 212-217.

3. Описание к а.с. ü3 1238434 "Устройство для проходки скважин в грунте". - Ы.: ВНИИГПЭ ГК СССР по делам изобретений и открытий, 1984. Соавторы Соболевский Ю.А., Никитенко М.И.,-Григории Г.К., Ковалёв Ю. И. и др.

4. Эффективность.применения взрывной проходки скважин в связных грунтах. //Ведение взрывных работ в мелиоративном строительстве. : Тез. докладов Всесоюзной школы передового опыта в . Киеве/. - М..: Препринт ВГПТИ "Союзоргтехводстрой", 1984. - с.7. Соавторы Григорюк Г.К., Ковалёв Ю.И.

5. Описание к а.с. № I 299 209 "Способ проходки скважин в -грунте и их уширение". - М.: ВНИИГПЭ ГК СССР по делам-изобретений и открытий,-1985.

6. Экспериментальное исследование работы боковой поверхности буровой и взрывной сваи. //Основания и фундаменты в геологических условиях Урала. Межвуэ. сб. науч. трудов/. - Пермь, : ПЛИ, 1986.

- с. 122-126. Соавторы Лапшин Ф.Н., Редков В.И., Савинов A.B.

7. Взрывофугасное грунтовытеснение строительных скважин. //Геотехника Поволжья - 3. : Тез. докладов обл. респ. конференции/. - Казань, : Правление НТО Стройиндустрия, 1986. - с. 85-89. Соавтор Соболевский Ю.А.

■ 8. Описание к а.с. № I 360 290 "Устройство для проходки скважин в грунте". - М.: ВНИКГПЭ ГК СССР по делан изобретений и открытий, 1987.

9. Способ определения давления в камерах взрывания, /Инф. листок о науч.-техн.достижении № 87-19. - Владимир, : ЦНТИ, 1987. - 4 с.

10. Способ определения прочностных характеристик грунта. / Инф. листок № 400-87. - Владимир, : ЦНТИ, 1987. - 4 с.

11. Слосо*' pacv'ra толстостенных цилиндров. /Инф. листок о науч.-техн. достижении 'Г 87-20. - Владимир, : ЦНТИ, 1987. - 4 с.

12.Описание а.с. il? I 708 029 "Устройство для проходки скважин в грунте". - М.: ВНИИГПЭ ГК СССР по делам изобретений и открытий, 1990.

13. Способ выявления физической сущности угла внутреннего трения грунта. /Инф. листок о науч.-техн. достижении № 91-54.

- Владимир, : ЦНТИ, 1991. - 4 с.

14. Явление физического взрыва при камуфлетах. /Янф. листок о науч.-техн. достижении № 91-53. - Владимир, : ЩТИ, 1991. - 4 с.

15. Виды и коэффициенты давления грунта при сдвиге. /Инф. листок о науч.-техн. достижении № 92-40. - Владимир, : ЦНТИ, 1992. - 4 с.

16. Метод расчёта несущей способности основания взрывофу-гасной сваи. /Инф. листок о науч.-техн. достижении № 92-56.

- Владимир, : ЦНТИ, 1992. - 4 с.

17. Способ определения зон принудительного изменения состояния грунта при расширении скважин. /Инф. листок о науч.-техн. достижении № 92-50. - Владимир, : ЦНТИ, 1992. - 4 с.

Сдано в печать II.5.94. Формат 60x84/16. Тираж 100. Заказ 1249. Объем 1,75 п.л.

Ротапринт Пермского государственного технического университета