автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Преобразование слабых оснований по технологии роторного уплотнения грунтов

Рубцов Олег Игоревич

На правах рукописи

О/

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛАБЫХ ОСНОВАНИИ ПО ТЕХНОЛОГИИ РОТОРНОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ

Специальность: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

005556294

Москва-2014

005556294

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Тер-Мартиросян Завен Григорьевич

Официальные онпоненты:

Абелев Марк Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, директор Центра инновационных технологий ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики»

Малинин Алексей Генрихович,

кандидат технических наук, технический директор ООО «Строительная компания «ИнжПроектСтрой»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится «г^у» &£/С 2014 г. в ]£ЛО на заседании

диссертационного совета Д 2ЙЛЖ08Т созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте http://www.mgsu.ru.

Автореферат разослан «£^У>> //АГ//^ 2014 г.

Ученый секретарь ^ > I Знаменский

диссертационного совета Владимир Валерианович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений, возводимых на слабых водонасыщенных глинистых грунтах с модулем деформации до 5 МПа, высокой степенью водонасыщения 0,8<8Г<1,0, низкои водопроницаемостью (Л^КГ6 см/сек) и мощностью более 10м, часто связаны с необходимостью преобразования их физико - механических свойств, в том числе плотность, влажность, модуль деформации и прочность.

Известно, что слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами сложено более 16% территории СНГ, в том числе побережья рек, озер, морей. Освоение этих территорий является одной из главных задач современного строительства, в том числе фундаментостроения. Характерный пример такого освоения -олимпийские объекты Сочи-2014, шельфовые зоны северных морей, а также береговые зоны Тихого океана.

В настоящей работе рассматриваются проблемы количественной оценки НДС основания фундаментов, преобразованного грунтовыми сваями по технологии роторного уплотнения грунтов (далее - РУГ), путем создания в лидирующей скважине значительных радиальных (горизонтальных) напряжений с помощью вращающегося ротора, нагнетающего и втрамбовывающего песчано - гравелистый материал в стенки лидирующей скважины, увеличивая ее диаметр до двух раз. В результате образуется неоднородный грунтовый цилиндр с песчано - гравелистым ядром и окружающим уплотненным слабым грунтом. Такой цилиндр в составе преобразованного слоя грунта может воспринимать достаточную нагрузку от плитного фундамента или дамбы при меньших осадках по сравнению с неуплотненным слабым грунтом.

Целью работы является изучение и совершенствование методов преобразования физико - механических свойств толщи слабых грунтов буронабивными грунтовыми сваями путем создания значительных радиальных напряжений и перемещений в лидирующей скважине с помощью разработанного устройства (вращающегося ротора) и дать количественную

оценку степени уплотнения слабого грунта, в том числе определению деформационных и прочностных свойств после завершения процесса уплотнения и последующего использования уплотненного слоя в качестве основания плитного фундамента.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Составлен обзор и анализ современного состояния проблем и методов преобразования строительных свойств слабых грунтов и их использование в качестве оснований сооружений;

2. Выбран метод предварительного уплотнения слабого водонасыщенного глинистого грунта грунтовыми сваями, заключающийся в создании значительных горизонтальных (радиальных) напряжений и перемещений вокруг лидирующей скважины с помощью вращающегося ротора;

3. Разработаны устройство и соответствующая технология уплотнения толщи слабых водонасьпценных грунтов (РУГ) грунтовыми сваями в лидирующей скважине;

4. Дана количественная оценка НДС водонасыщенного слабого глинистого грунта вокруг лидирующей скважины при ее уплотнении грунтовыми сваями с помощью роторной технологии;

5. Разработана методика определения параметров деформируемости и прочности уплотненной толщи слабого глинистого грунта вокруг лидирующей скважины в процессе его уплотнения и после него на основе анализа НДС вокруг лидирующей скважины и результатов лабораторных испытаний (компрессия, сдвиг);

6. Поставлены и решены задачи о взаимодействии (НДС) составного грунтового цилиндра с песчано - гравелистой ячейкой (свая - дрена) и окружающего уплотненного грунта с плитным фундаментом аналитическим и численным методами в линейной и нелинейной постановках;

7. Разработаны методы определения приведенного модуля деформации системы "свая - окружающий грунт" на основе аналитических и численных решений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Дано теоретическое обоснование процессу уплотнения слабых

грунтов

вокруг лидирующей скважины, в том числе дана количественная оценка напряжений и деформаций, при циклическом воздействии на стенки лидирующей скважины вследствие расширения диаметра сваи - дрены;

2. Дано экспериментально - теоретическое обоснование уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов путем создания радиальных напряжений и перемещений в окружающем лидирующую скважину грунте с помощью роторной технологии;

3. Выполнены лабораторные и полевые крупномасштабные эксперименты по выявлению закономерностей формирования НДС в толще слабого грунта вокруг лидирующей скважины в процессе ее расширения;

4. Поставлены и решены задачи по количественной оценке НДС в толще слабого водонасыщенного глинистого грунта вокруг лидирующей скважины при расширении ее радиуса на основе решения осесимметричной задачи аналитическим и численным методами (задачи Ляме);

5. Разработана методика определения параметров деформируемости и прочности уплотненного слабого грунта вокруг лидирующей скважины на основе анализа НДС в толще слабых грунтов и результатов лабораторных испытаний грунтов;

6. Поставлены и решены задачи по количественной оценке НДС системы "плитный фундамент - преобразованный слабый слой" (далее "система"), состоящей из отдельных ячеек (неоднородных грунтовых цилиндров - несущих столбов) аналитическим и численным методами в линейной и нелинейной постановке;

7. Показано, что при взаимодействии плитного фундамента с неоднородным грунтовым цилиндром в составе преобразованного слоя возникает сложное неоднородное НДС, и что распределение нагрузки от плиты между сваей -дреной и окружающим уплотненным грунтом существенно зависит от их

физико - механических свойств, диаметра ячейки и расстояния между центрами несущих цилиндров;

8. На основе численного моделирования НДС "системы" с использованием моделей Мора - Кулона и упрочняющегося грунта показана возможность потери устойчивости сваи - дрены с образованием новых форм разрушений песчаных свай.

Теоретическое и практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований способствуют дальнейшему внедрению новых методов предварительного уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов путем создания радиальных напряжений, ускоряющих процесс уплотнения в несколько раз.

Выполненные экспериментальные и теоретические исследования показали экономическую эффективность уплотнения слабых грунтов методом создания радиальных напряжений по сравнению с уплотнением с помощью пригрузочных песчаных дамб и насыпей, а также поверхностного вакуумирования при вертикальном и горизонтальном дренировании.

Показано, что предварительное уплотнение слабых грунтов с помощью песчаных свай - дрен предложенным методом позволяет создавать преобразованное основание, способное нести заданную нагрузку в зависимости от степени уплотнения слабых фунтов и расстояния между центрами неоднородных грунтовых цилиндров (несущих столбов).

Методология и методы исследования. В работе над диссертацией проведен анализ существующих методов и способов укрепления слабых оснований, выявлено направление исследования, определена методология проведения численных и натурных экспериментов, осуществлена их реализация и проведена обработка их результатов. Выполнены теоретические исследования НДС в уплотняемом и уплотненном слабом грунте при его взаимодействии со сваей.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы в проектных решениях по усилению оснований ряда зданий и сооружений, как

при новом строительстве, так и при реконструкции, в т.ч.: здания 9-го Арбитражного суда на ул. Соломенная сторожка в г.Москве; Дом культуры в г. Яхрома; здания топливно-заправочной станции аэропорта «Внуково»; насыпь инженерной защиты в Имеретинской низменности при строительстве объектов для олимпиады Сочи-2014.

Результаты работы будут использованы на кафедре Механики грунтов и геотехники и в научно - образовательном центре "Геотехника" МГСУ и автором работы в его дальнейшей научной и практической деятельности.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований НДС толщи слабых грунтов в процессе их уплотнения грунтовыми сваями по технологии РУГ и последующего ее использования в качестве основания фундаментов различных сооружений;

2. Устройство ротора и технология его использования при уплотнении слабых грунтов вокруг лидирующей скважины грунтовыми сваями путем создания радиальных напряжений, деформаций и перемещений;

3. Решения задач по количественной оценке НДС "системы" уплотненного слабого грунта, сваи - дрены и плитного фундамента с учетом их взаимодействия в линейной и нелинейной постановках;

4. Методика определения параметров деформируемости и прочности уплотненного слабого грунта вокруг расширенной лидирующей скважины на основе анализа НДС слоя грунта и результатов лабораторных испытаний слабого грунта (компрессия, сдвиг);

5. Анализ результатов выполненных экспериментальных и расчетно -теоретических исследований НДС слоя слабого грунта после завершения процесса уплотнения и последующего использования его в качестве основания плитного фундамента.

По теме диссертации получено 4 патента на разработанное устройство и технологию, опубликовано: 1 монография, 25 статей, из них 12 в научных изданиях, рекомендованных ВАК.

Апробация работы

Результаты работы доложены на 6 всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка, включающего 148 наименований. Она изложена на 141 страницах машинописного текста, включающего 7 таблиц и 62 рисунка.

Работа выполнена на кафедре Механики грунтов и геотехники МГСУ в период обучения в аспирантуре в 2010-2014 годах под руководством профессора, доктора технических наук З.Г. Тер - Мартиросяна, которому автор выражает искреннюю благодарность за постоянное внимание и помощь. Содержание работы

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации и ее научная новизна. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также предполагаемое применение ее результатов на практике.

Первая глава посвящена обзору современных проблем преобразования физико - механических свойств толщи слабых грунтов с помощью буронабивных грунтовых свай. Приводятся принципиальные схемы использования преобразованной толщи слабых грунтов в качестве оснований плитных фундаментов и дамб.

В последние десятилетия появились принципиально новые способы уплотнения слабых грунтов с помощью буронабивных песчано - гравелистых свай, в том числе по технологии РИТ, шнековых свай, пневмопробойников, песконасоса и др., которые создают значительные радиальные напряжения в забое скважины и уплотняют окружающий слабый грунт.

Вопросам предварительного уплотнения слабых грунтов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: М.Ю. Абелева, P.A. Мангушева, Ю.К. Зарецкого, П.А. Коновалова, А.Б. Пономарева, З.Г. Тер - Мартиросяна, К. Терцаги, Lee FH, Debra F. Laefer, Poulos H.G. и др.

Анализ рассмотренных в обзоре работ и методик показал необходимость дальнейшего совершенствования методов преобразования физико

механических свойств толщи слабых грунтов, в том числе путем создания значительных радиальных напряжений в забое лидирующей скважины.

Во второй главе приводится обзор современных технологических решений и устройств, создающих радиальные напряжения в забое лидирующей скважины, в том числе по технологии РУГ. Приводится принципиальная схема действия роторного рабочего органа (рис. 1)

Принцип действия роторного рабочего органа основан на возможности создания радиальной деформации цилиндрической оболочки, выполненной из эластичного материала. В упругую цилиндрическую оболочку 1 помещают устройство (ротор) 2 вращательное движение которого обеспечивается штангой 3, придавая ей, в зоне деформации, форму цилиндра с образующей, близкой к эллиптической 4. Диаметрально расположенные, по большой оси, зоны эллиптической оболочки выполняют функцию втрамбовывания материала в стенки скважины. Втрамбовывание осуществляется не по всему периметру оболочки, а лишь по части периметра. Зоны, расположенные по малой оси эллиптической оболочки выполняют функцию эластичного рабочего органа на стадии возврата в исходное положение. При повороте ротора 2 на 90°, т.е. в положение 5, зона возврата становится зоной втрамбовывания, а зона втрамбовывания - зоной возврата.

?

1

1

Рис. 1. Принципиальная схема действия роторного

3

рабочего органа

песконасоса. а - схема

разреза по продольной оси, б - схема по поперечному

разрезу; 1 - упругая

цилиндрическая оболочка в

недеформированном

состоянии, 2 - ротор, 3 — тяга привода ротора, 4 и 5 -деформированная оболочка

А)

Б)

В третьей главе излагаются экспериментальные и теоретические основы преобразования толщи слабых грунтов буронабивными грунтовыми сваями по технологии РУГ. Отмечается, что основными показателями при составлении проекта уплотнения грунтов грунтовыми сваями являются коэффициент пористости уплотненного грунта есот и соответствующие характеристики прочности (ссот, фсот) и деформируемости (тсот, Есот), определяемые по результатам лабораторных испытаний (сдвиг, компрессия).

Рис. 2. А) Компрессионные кривые е-о и е-а и зависимость модуля деформации от уплотняющей нагрузки (Е-а). Б) Зависимость сопротивления сдвигу от уплотняющей нагрузки по траектории нагружения (1) и разгрузки (2) (верхние кривые) и компрессионные кривые при нагрузке и разгрузке (нижние кривые)

На рис. 2 представлены результаты экспериментальных исследований слабого глинистого грунта по определению параметров деформируемости (mv, Е) и прочности (с, ф) в зависимости от коэффициента пористости и уплотняющей нагрузки.

Далее в диссертации приводятся методика определения модуля деформации уплотненного грунта вокруг песчаной сваи на основе заданного проектом коэффициента пористости есот, а также количества свай и расстояния между центрами свай, расположенных в шахматном порядке (рис. 3).

Рис. 3. Схема размещения песчаных свай в плане: 1 - песчаная свая; 2 -зона уплотнения

В диссертации предлагается определить деформационные и прочностные свойства толщи слабых грунтов также по результатам анализа НДС грунтового цилиндра вокруг изготовленной по технологии РУГ песчаной сваи совместно с результатами лабораторных испытаний грунтов. Для этого поставлена и решена задача о НДС толстостенного грунтового цилиндра (задача Ляме, рис. 6).

Также отмечается, что для удобства расчетов взаимодействия уплотненного слабого слоя грунта с плитным фундаментом целесообразно определить приведенный коэффициент относительной сжимаемости т неоднородного грунтового цилиндра (свая - дрена - окружающий грунт) в целом по формуле

— т, • т.. т = -

кп ■ т , +тс ^ ^

где тс, тг - коэффициенты относительной сжимаемости уплотненного грунта и

/

сваи - дрены соответственно,

К'

'^г < 1, <т - среднее напряжение.

В диссертации рассматривается также новый способ определения приведенных параметров деформируемости и прочности составного толстостенного цилиндра (свайно - фунтовой ячейки) численным методом на основе виртуального эксперимента (рис. 4).

По результатам такого эксперимента можно построить предельные круги Мора, а по ним определить прочностные (ср, с) и деформационные свойства. В рассматриваемом нами случае при исходных значениях с=20 кПа, ф=10°, Ес=30 МПа, Ег= 1 МПа, с1с= 0,6 м, ¿4=3 м получаются приведенные значения составного цилиндра с=9,7кПа, (0=22°, Ё = \ъмпа.

СГ1

С З-С2

шш

ША

Шм

Шк

Ш

2г 2

Рис. 4. Расчетная схема и результаты виртуального эксперимента трехосного сжатия составного фунтового цилиндра в виде кривых ех-ах

В четвертой главе приводятся результаты теоретических исследований НДС слабого грунта при взаимодействии его со сваей - дреной под воздействием ростверка в линейной и нелинейной постановках аналитическим и численным методом. Такие исследования необходимы для количественной оценки параметров деформирования слабого грунта как в процессе изготовления сваи -дрены, так и после его завершения.

Излагается физико - механическая сущность накопления остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде при циклическом нагружении на основе теории упрочняющейся упруго - пластической среды. Отмечается, что остаточные напряжения являются дополнительным положительным фактором, способствующим снижению осадок оснований при нагружении.

Далее в диссертации приводятся результаты решения задач по количественной оценке НДС уплотняемого слабого слоя вокруг лидирующей

скважины под воздействием растущего диаметра сваи - дрены (рис. 5) на основе рассмотрения задачи Герца.

Исследования взаимодействия цилиндров конечной жесткости, выполненные Герцем Г., Тимошенко С.П. и др., показывают, что на контакте возникает узкая прямоугольная площадка шириной Ь=2а, на которой возникает криволинейная эпюра полуэллиптической формы следующего вида

</(*) = <7„л/1"С*2/а2) (2)

где а - полуширина контактной площадки, д0 - максимальное напряжение

при х=0, причем = —, где 0 - усилие на единичной длине.

Получена зависимость между и стрелой сегмента л хорды 2а (рис. 5)

(3)

ТО п 2\

а( 1-у,2)

Расчеты показывают, что при 0,1; у,=0,33; £1=10000 кН/м2

1111 кН/м-~11000 кПа

Очевидно, что с ростом диаметра сваи - дрены, модуль которой достигает 40 МПа, контактные напряжения ролика - катка с внутренней поверхностью сваи - дрены могут достигать значительных величин. С ростом толщины внутреннего кольца сваи - дрены в стадии ее изготовления эффективность воздействия ролика непосредственно на слабый грунт ослабевает и процесс уплотнения слабого грунта осуществляется за счет роста внешнего диаметра сваи - дрены. Такой механизм уплотнения слабого грунта может быть рассчитан на основе задачи Ляме о НДС составного грунтового цилиндра (рис. 6) при заданных граничных условиях:

I" 1. г = г,; иг (1) = и 4. г = гх\ <7,(1 ) = /;=?

^ 2. г = г2- мД1) = иг(2) 5. г = г3; <тг(2) = Р3 =?

(з. г = г2; сгг(1) = сг,(2) = ак 6. г = г3; мД2) = 0

Отметим, что решение задачи Ляме при такой постановке рассматривается впервые, когда расчетная область меняет свои размеры, т.е. когда диаметр сваи растет, а толщина кольца слабого грунта уменьшается.

В диссертации приводится решение задачи по оценке НДС составного цилиндра при ступенчатом режиме расширения диаметра кольца 1 в соответствии с граничными условиями г=г\, и=щ\ г=г3; щ=0.

Рис. 5. Расчетная схема взаимодействия жесткого ролика -катка (ротора) с вогнутой поверхностью лидирующей скважины (задача Герца)

Рис. 6. Расчетная схема для определения НДС двух цилиндров (1,2) при их взаимодействии с учетом роста внешнего диаметра внутреннего цилиндра (2Л2)

Численное решение задачи Ляме для составного цилиндра с учетом роста диаметра внутреннего цилиндра

Для решения этой задачи был использован программный комплекс Р1ах18 дающий возможность задания роста объемных деформаций во времени, что

позволило моделировать рост внутреннего кольца с заданной скоростью. Программный комплекс позволил рассмотреть решение задачи как для не полностью водонасыщенного, так и для водонасыщенного грунта, т.е. с учетом процесса консолидации. На рисунках 7-11 приводятся результаты изменения НДС водонасыщенного составного цилиндра, в том числе на разных этапах его формирования и стабилизации, в том числе избыточное поровое давление в центре внешнего радиуса (рис. 9).

Рис. 7. Расчетная схема количественной оценки НДС слабого водонасыщенного грунта вокруг песчаной сваи-дрены в процессе её изготовления по технологии РУГ включая этапы: 1. Природное НДС; 2. Устройство насыпи; 3. Проходка лидирующей скважины; 4. Устройство песчаной сваи дрены по технологии РУГ; 5. Дополнительная нагрузка на уплотненное основание

На рис. 9 приводится зависимость изменения избыточного порового давления во времени в центре внешнего радиуса грунтового цилиндра при различных значениях коэффициента фильтрации. На рис. 10 приводится зависимость изменения осадки рассматриваемой ячейки от времени с учетом и без учета преобразования грунтов.

В заключительном разделе четвертой главы диссертации приводится решение задачи о взаимодействии толстостенного грунтового цилиндра с песчано - гравелистым ядром и ростверком после предварительного уплотнения слабого грунта в нелинейной постановке аналитическим (рис. 11) и численным (рис. 12) методами.

Рис. 9. График зависимости изменения избыточного порового давления в центре внешнего радиуса грунтового цилиндра в процессе изготовления сваи дрены и последующего рассеивания порового давления при различных коэффициента фильтрации слабого грунта. кп=0,01 м/сут; кй=0,02м/сут 0,0000

-Преобр. - Естест.

3000 5.0000 10.0000 1Я.0000

Время, дн.

Рис. 10.График зависимости вертикальных перемещений от времени при естественном сложении слабого грунта и после преобразования под действием

уплотняющей нагрузки

х 250 -

Рис. 11. Зависимость осадки (S) от полной нагрузки на ростверк (Р) с учетом упруго - пластических свойств песчаной сваи-дрены

В качестве расчетных для численного решения поставленной задачи рассмотрены следующие модели: Linear elastic, Mohr - Coulomb, Hardening Soil.

На рисунке 12 представлены результаты численного моделирования НДС "системы" при трех моделях грунтов. Впервые зафиксирована новая форма потери устойчивости песчаного столба внутри фунтового цилиндра, требующая дальнейших исследований.

а) Ь) с) d)

Рис. 12. Расчетная схема (а) взаимодействия песчаной сваи-дрены с окружающим грунтом и ростверком и форма деформирования сваи-дрены для моделей Linear elastic (b ), Mohr - Coulomb (с), Hardening Soil (d)

El

Рис.13. Графики зависимости относительной деформации (е,) «системы» от нагрузки (Р) построенные по результатам численного расчета по рис. 12 для различных моделей грунтов Linear elastic, Mohr - Coulomb, Hardening Soil

В пятой главе приводятся результаты крупномасштабных лабораторных и полевых экспериментов и их анализ.

Лабораторный эксперимент по уплотнению песка с помощью ротора проводился в лотке размерами 1600x800x700 мм с прозрачными высокопрочными стенками (рис. 14). В качестве грунтового основания использовался песок средней крупности средней плотности, неводонасыщенный.

Исследования показывают, что эффект уплотнения распространяется на расстоянии, до пяти раз превышающем радиус рабочего органа ротора, т.е. до расстояния 275 мм. При работе ротора происходит двукратное повышение модуля деформации песка на площади, в 30 раз превышающей площадь рабочего органа ротора. Статистическая обработка измеренных объемов вдавливаемого грунта вокруг ротора показала, что с ростом глубины погружения они уменьшаются.

В диссертации приводятся результаты полевых штамповых испытаний уплотненного по технологии РУГ грунта основания объектов инженерной защиты квартала «С» Имеретинской низменности г. Сочи (рис. 16).

1600

Левая зона

Правая зона

Рис.14. Схема установки роторного рабочего органа и точек зондирования. 1- рабочий орган песконасоса диаметром 110 мм; 2- точка контрольного зондирования до начала работ; 3 - точка зондирования после проведения работ; 4- точки зондирования через 30 суток

-о

-50 100 -150 -200

250

Рис. 15. Статистически обработанные зависимости объема вдавливаемого грунта от количества циклов и высоты подъема рабочего органа

Работы проводились по «Программе проведения штамповых испытаний на опытном участке квартала «С» инженерной защиты имеретинской низменности», согласованной Заказчиком - ГК «Олимпстрой», генеральным

проектировщиком - ОАО «Проекттранстрой» и генподрядчиком - ООО « КраснодарТрансстрой». Нагрузка на штамп прикладывалась поэтапно, ступенями по ЛР=26,4 т, при максимальном 132 т. Толща слабых грунтов- 2,7 м, модуль деформации- 0,2-0,4 МПа.

В соответствии с данными по осадке штампа на опытном участке построены графики осадок штампа от нагрузки (рис. 17) и от времени (рис. 18).

В результате штамповых испытаний были определены модули деформации грунта, упрочненного и стабилизированного сваями-дренами в интервале напряжений, соответствующих напряжениям от насыпи инженерной защиты:

- общий модуль деформации усиленных грунтов Е0&щ=6,9 МПа;

- модуль деформации межсвайного пространства Ем п = 5,3 МПа.

Время консолидации составило 14 суток для глубины сжимаемой толщи 2,7 м. В соответствии с результатами эксперимента время консолидации можно оценить по зависимости, приведенной на рис. 18.

/

5250 3000

/

\

о о

о о

о о

со со

сваи-дрены

Рис. 16. Схема устройства штампа по оголовкам свай с указанием мест установки геодезических марок (анкеров)

места установки анкеров с высотными марками

Полученные данные свидетельствуют об эффективности примененной технологии для решения задач по консолидации слабых грунтов квартала С Имеретинской низменности с повышением модуля их деформации до значения более 5 МПа. Учитывая сложные инженерно-геологические условия площадки,

в проектном решении по консолидации и стабилизации слабого грунта квартала С рекомендовано предусмотреть уменьшение шага свай-дрен с одновременным увеличением.

Рис. 17. График зависимости осадки штампа от нагрузки: по оси абсцисс нагрузка в кПа, по оси ординат вертикальное перемещение штампа, м. Красным показан график, полученный в результате натурного эксперимента, синим - в результате численного эксперимента

Время, сут.

Рис. 18. График зависимости осадки штампа от времени: по оси абсцисс время в сутках, по оси ординат вертикальное перемещение штампа, м. Красным показан график, полученный в результате натурного эксперимента, синим - в результате численного эксперимента

В диссертации выполнено численное моделирование штампового испытания с использованием программного комплекса Plaxis 3D. В качестве расчетной для описания НДС уплотненных грунтов в межсвайном пространстве и за пределами площади штампа была использована модель упрочняющегося грунта Hardening soil (рис. 19).

Результаты численных расчетов НДС системы "штамп - основание, армированное грунтовыми сваями" показали высокую сходимость с результатом крупномасштабных штамповых испытаний.

Рис. 19. Распределение перемещений по плоскости контакта основания с

плитой

Выводы по итогам диссертационного исследования

1. Обзор и анализ задач по теме диссертации показали, что расчетно -

теоретическое обоснование методов преобразования слабых грунтов существенно отстает и требует дальнейшего совершенствования.

2. Одним из эффективных методов преобразования слабых грунтов является их глубинное уплотнение путем создания значительных радиальных напряжений на стенки лидирующей скважины, в том числе по технологии РУГ.

3. Дана количественная оценка НДС водонасыщенного слабого глинистого грунта вокруг лидирующей скважины с учетом ее расширения за счет роста диаметра песчаной дрены во времени численным методом по специальной программе.

4. Поставлена и решена задача о взаимодействии составного грунтового цилиндра с песчаной сваей и окружающего уплотненного грунта с ростверком

аналитическим и численным методами с учетом линейных и нелинейных свойств.

5. Показано, что в этом случае возможно возникновение предельного состояния в песчаной свае с особой формой потери устойчивости, т.е. периодическим расширением и сужением ее диаметра. Отмечается, такая форма потери устойчивости обнаружена впервые и требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

6. Разработана методика определения параметров деформируемости и прочности уплотненного вокруг лидирующей скважины слабого грунта по результатам расчета его НДС, в том числе объемных деформаций, сравнивая их с результатами лабораторных испытаний (компрессия, трехосные).

7. Разработан метод определения приведенного модуля деформации составного грунтового цилиндра аналитическим и численным методами, в том числе по результатам виртуального трехосного испытания. Показано, что учет остаточных напряжений в уплотненном цилиндре повышает приведенный модуль деформации и снижает осадку плитного фундамента.

8. При взаимодействии песчаной сваи с окружающим слабым грунтом и ростверком возникает сложное неоднородное НДС, причем распределение нагрузки от ростверка между сваей - дреной и окружающим грунтом существенно зависит от принятой расчетной модели для сваи и для окружающего грунта.

9. Анализ результатов крупномасштабных лабораторных (лоток) и полевых (штамп размером 6x5 м) экспериментов на уплотненном слое пятью сваями, изготовленными по технологии РУГ, показали ее эффективность.

Основные научные положения работы опубликованы в 25 печатных работах, в том числе в 12 по перечню ВАК и одной монографии. Основные из них:

1. Рубцов И.В., Митраков В.И. Рубцов О.И. Закрепление грунтов земляного

полотна автомобильных и железных дорог. Издательство Ассоциации

строительных вузов. 2007 г. Монография.

2. И.В.Рубцов, Рубцов О.И., В.А.Грошев, С.Я.Новиков, С.К.Варламов. Экспериментальное исследование степени повышения несущей способности песчаных грунтов основания при использовании технологии «Песконасос». Вестник Московского государственного строительного университета. 4/2010. МГСУ. Москва, 2010 г. С. 315-321

3. Рубцов О.И., Крыжановский A.JL, Савин М.С., Прохорова Н.С. Технология устройства песковпрессованных свай. Вестник Московского государственного строительного университета. 4/2010. МГСУ. Москва, 2010 г. С. 311-314.

4. Рубцов О.И.,Крыжановский A.JL,Конюхова Е.К., Кассин Д.А., Савин М.С. Технология «Песконасос», область практического использования в решении задач фундаментостроения. Вестник Московского государственного строительного университета. 4/2010. МГСУ. Москва, 2010 г. С. 305-309.

5. Тамразян А.Г., Рубцов О.И., Галушко A.M. Применение технологии «Песконасос» для уменьшения относительной разности осадок фундаментов высотных зданий. Научно-практический межотраслевой журнал «Интеграл» №6 (62) Ноябрь-Декабрь 2011г. с. 152-153.

6. Рубцов О.И., Бакалов А.Ю., Кобецкий Д.И. Консолидация слабых грунтов основания насыпи инженерной защиты имеретинской низменности при воздействии технологии «Песконасос». Научно-технический вестник Поволжья №6 2012 г. с. 359-362.

7. Рубцов О.И., Срывкова М.В. Экспериментальные исследования зоны влияния роторного песконасоса. Механизация строительства №12 (822) 2012г. с. 39-42.

8. Рубцов О.И., Кассин Д.А. Роторный песконасос как средство повышения несущей способности грунтового массива. Механизация строительства №12 (822) 2012г. с. 2-4.

9. Рубцов О.И. Исследование степени повышения несущей способности грунтового массива при использовании роторного рабочего органа песконасоса. Механизация строительства №1 2013г. с. 29-31

Ю.Рубцов О.И., Бакалов А.Ю., Кобецкий Д.И. Влияние технологии

«пееконасое» на процессы консолидации и стабилизации в слабых грунтах основания на примере имеретинской низменности. Вестник Томского ГАСУ

11. Тер-Мартиросян А.З., Рубцов О.И. Экспериментально-теоретические основы преобразования слабых водонасыщенных глинистых грунтов при глубинном уплотнении ротором. Журнал «Инженерная геология» , 3/2014. стр 26

12.Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Струнин П.В., Рубцов О.И. Взаимодействие толстостенного грунтового цилиндра с песчаным ядром и ростверком . Жилищное строительство №9 сентябрь 2014

13.Тер - Мартиросян З.Г., Тер - Мартиросян А.З., Рубцов О.И., Манукян А.В. Теоретические основы создания свай-дрен в слабых грунтах по технологии роторного уплотнения. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 10(3). 2014. C. 165 - 175

Патенты:

1. Митраков В.И., Жаворенко C.H., Рубцов И.В., Рубцов О.И. Способ создания виброинъекционных микросвай (RU 2353728). Опубликован 27.04.2009

2. Крыжановский A.JL, Рубцов И.В., Ступаков А.А., РубцовО.И. Способ укрепления грунта (RU 2407858). Опубликован 27.12.2010.

3. Рубцов И.В., Рубцов О.И., Крыжановский A.JI. «Установка и способ для уплотнения грунтов» (RU 2465402). Опубликован 27.10.2012

4. Рубцов О.И., Рубцов И.В., Ступаков А.А. «Способ укрепления грунта и устройство для его осуществления». (RU 2473741) Опубликован 27.01.2013

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru