автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Разработка методов усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора

ГОССТРОИ РОССИИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО гюшши НЛтО-ЖСЛЕДОВАтаЬС1<М,11РОЕК,ТНО-ИШС^ТЕЛЬСгаЯ И КОНСТРУКТОГСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИМЕНИ Н. М. ГЕРСЕВАНОВА

На правах рукописи

Зорин Михаил Борисович

РАЗРАБОТКА ГЛЕТОДОВ УСИЛЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИИ И СООРУЖАЙ НА ЛЕССОВЫХ ПРССАДСЧНЫХ ГРУНТАХ ИНЪЕКЦИЕЙ СИЛИКАТНОГО РАСТВОРА

(05.23.02 Основания и фундаменты)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата технических наук

Москва

Г994

Работа выполнена в научно-исследовательской части АО института "Ростовский Промстройниипрсект", Научный руководитель - к.т.н..старший научный

сотрудник Грачев Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты - д.т.н., Соколович Влади-

мир Емельянович - к.т.н..старший неучный сотрудник Исаев Борис Никитович

Ведущее предприятие - АО "Гидроспецстрой"

Защита состоится "// " Ф^/гРО-ЛЛЛЪ'ЗЪ г. в часов на заседании специализированного совета К 033.06.01 в ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-изыскательсксм и конструкторско-технологическом институте оснований и подземных сооружений имени Н.М.Герсеванова Госстроя России по адресу: 109428, Москва, ул.2-я Институтская, д.6 (проезд до ст.мегго Рязанский проспект, далее авт.29,46,143,169 до остановки Институт бетона).

С диссертацией можно ознакомиться в совете института. Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

Петрухин В.П.

Актуальность темы. Ошибки, допущенные при ' инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве, а также недостаточно обоснованные нормы проектирования оснований, существовавшие -в 80-е - 60-е годы, явились основными причинами массовой деформации зданий и сооружений на лессовых грунтах как I, так и П типа по просадочности при их техногенном замачивании.

В настоящее время остро стоит вопрос о разработке наденннх-способов усиления оснований зданий и сооружений на лессовых про-садочных грунтах с целью предотвращения развития в конструкциях этих зданий прогрессирующих деформаций аварийного характера, а . также для выполнения работ по реконструкции.

Исследования В.Е.Соколовича, Б.А.Ржаницына, В.П.Ананьева,_ А.К.Бекетова, Ю.А.Грачева, М.Н.Ибрагимова, Б.Н.Исаева, В.И.Сергеева, Л.Е.Шуваловой и др. показвли, что одним из наиболее эффективных методов усиления"оснований на лессовых просадочных грунтах является инъекционный способ силикатизации. В основании деформированных зданйй эффективность данного способа ограничена повышенной влажностью и пониженной проницаемостью лессового грунта для силикатного раствора, а также снижением химической активности грунта в пределах зон локального замачивания.

Известнне методы интенсификации способа силикатизации практически не используются в практике химического закрепления,главным образом, из-за высокой стоимости или дефицита необходимых материалов и оборудования. Выполнение инъекционных работ в основании существующих зданий и сооружений при недостаточной эффективности способа силикатизации приводит к уменьшению прочностных и деформационных характеристик закрепленного грунта, снижению радиуса закрепления и может быть причиной-увеличения осадок фундамен-

тов, которое отмечали Ю.М.лоелев Б.Ф.Галак, А.АЛ.'усаэлян, Л.В. "аврусевич, А.Ф.Селезнев, В.И.Сергеев, В.А.Королев на ряде объектов в Одессе, Георгиевске, Душанбе и Херсоне.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора, в том числе в случаях, когда грунты характеризуются повышенной естественной влажностью, пониженной прсницаемостью или химической активностью. Для достижения названной цели в работе поставлены следующие задачи:

- разработать метод усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора повышенной температуры. Исследовать влияние температуры силиката натрия на технологический режим инъекции и параметры закрепления;

- разработать метод усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора с добавкой неорганических солей, позволявший повысить прочностные характеристики силикатизированного грунта и увеличить его водостойкость. Установить оптимальную рецептуру закрепляющего раствора в условиях различной химической активности и влажности лессовых грунтов;

- обосновать методику определения оптимальной (критической) плотности силиката натрия, которой соответствует полное отсутствие дополнительных осадок фундаментов в период выполнения инъекционных работ;

- установить оптимальную технологическую последовательность производства работ, минимизирующую неравномерные дополнительные осадки фундаментов в период инъекции для обеспечения устойчивости существующих зданий и сооружений в этот период;

- разработать метод усиления оснований зданий и сооружений ' на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора с использованием интенсивной технологии производства работ.

Научная нови'3 на работы заключается в том, что впервые исследовано влияние температуры силиката натрия на технологический режим инъекции и параметры закрепления; в результате изучения зависимости механических характеристик закрепленного грунта, интенсивности фильтрационного эффекта и радиуса закрепления от температуры силиката натрия определена оптимальная температура инъекции.

Установлено, что эффективными химическими добавками в силикат натрия, позволяющими повысить прочность и водостойкость закрепленного грунта, являются неорганические соли - фтория натрия, хлорид железа, оксалат аммония. Определена оптимальная рецептура закрепляющего раствора с использованием добавок в условиях различной химической активности и влажности лессового грунта.

Разработана методика определения "критической" плотности силиката натрия, позволяющая определить технологические параметры инъекции, при которых исключаются дополнительные осадки фундаментов в период производства инъекционных работ. ,

Впервые при обработке на ЭВМ результатов крупномасштабного эксперимента получена математическая модель, описывающая изменение осадок фундаментов зданий и сооружений в период инъекции и позволяющая на этапе проектирования произвести приближенный расчет их величины. На основании исследования зависимости величины неравномерности осадок фундаментов в период инъекции от различных влияющих факторов обоснована схема закрепления, которой соответствует минимальная неравномерность осадки здания при выполнении работ по химическому закреплению.

В результате объединения ускоренного способа силикатизации и способа, основанного на использовании закрепляющего раствора повышенной температуры, впервые предложена интенсивная технология производства работ, позволяющая увеличить радиус'закрепления и сократить время инъекции.

Диссертационная работа являлась частью исследований, выполненных по плану НИР института "Ростовский Промстройниипроект" в соответствии с госзаказом номер 06-0340-88.

Практическое значение и внедрен ние результатов работы. Результаты исследований позволяют значительно расширить область применения силикатизации в неблагоприятных инженерно-геологических условиях (при повышенной влажности, пониженной проницаемости и химической активности лессовых грунтов), которые характерны для оснований большинства деформированных объектов; улучшить прочностные и деформационные характеристики силикатизированного грунта; увеличить радиус закрепления; уменьшить расход силиката натрия и стоимость химического закрепления. Разработана методика определения технологических параметров инъекции, при которых исключаются дополнительные осадки фундаментов в период производства инъекционных работ, что особенно важно при усилении оснований аварийных объектов.

Обоснована схема закрепления, которой соответствует минимальная неравномерность осадки здания, а также метод расчета величины дополнительной осадки при выполнении работ по химическому закреплению в случае, когда рабочая плотность силиката натрия назначается ниже критического значения.

Разработаны "Рекомендации по применению методов интенсификации однорастворной силикатизации лессовых просадочных грунтов" -(в дополнение к СНи11 2.02.01-63), включающие все основные резуль-

тага выполненных исследований.

Экономический эффект от внедрения технологии закрепления лессовых грунтов силикатными растворами повышенной температуры составил 849,4 тыс.руб. за счет сокращения объема буро инъекционных работ (в ценах 1984 г.). Внедрение новых составов двухкоцпснентных силикатных растворов, а также технологии закрепления оптимальной (критической) плотностью силиката натрия позволило получить экономический эффект в размере 50 тыс.руб. при экономии 196 г жидкого стекла, 266 т арматуры, 67 мЗ монолитного бетона и 366 т цемента.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и одобрены на областных конференцих НТО стройиндуст-рии (Ростов-на-Дону,1987,1988), конференциях молодых ученых и аспирантов МГУ (Москва,1988,1989), научно-практическом семинаре "Проблемы механики грунтов, фундаментостроения и охраны геологической среды" (Сочи,1989).

Публикации . По теме диссертации опубликовано 9 работ. Методики, разработанные в диссертации-, позволили обосновать, заявку Л 5023052/33 (решение о выдаче патента .от 9.03.93 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения , 5 глав, выводов, списка литературы из 179 наименований я 23 приложений. Содержит 178 страниц машинописного текста, 48 иллюстраций, 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан анализ состояния изучаемого вопроса, определены цели и задача исследований.

Деформация зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах происходят, главным образом, в результате неравномерной осед-ки фундаментов при замачивании грунтов в их основании и чаще всего являются результатом ошибок, допущенных при внженерно-геологи-

ческих изысканиях, проектировании и строительстве.

Основной целью диссертационной работы является разработка методов усиления оснований зданий и сооружений инъекцией силикатного раствора, позволяющих расширить область применения, улучшить качество и снизить стоимость химического закрепления лессовых грунтов.

Для достижения названной ¿ели одним иэ перспективных направлений исследований является поиск новых недорогих и эффективных добавок-отвердителей силиката натрия, улучшающих технологический режим инъекции и параметры закрепления. Требует дальнейшей разработки метод усиления оснований зданий и сооружений инъекцией силикатного раствора повышенной температуры.

При инъекции растворов повышенной плотности перспективным представляется разработка г внедрение режима инъекции, объединяющего положительные стороны двух методов интенсификации однорастворной силикатизации: предварительного подогрева раствора и скоростного режима нагнетания, позволяющих достигнуть суммарного эффекта увеличения радиуса закрепления.

Для конструкций здания или сооружения, уже испытавших определенную деформации, опасны дополнительные неравномерные осадки фундаментов, которые могут произойти в период инъекции силиката натрия н привести объект в аварийное состояние.

В процессе производства работ по силикатизации величина неравномерности осадок во многом будет определяться последовательностью (схемой) закрепления. Поэтому с целью обеспечения устойчивости существующих зданий и сооружений в период инъекционного

I

закрепления грунтов в их основании актуальной задачей является обоснование схемы закрепления, минимизирующей неравномерные осад-

ки фундаментов в этот период. Важной задачей является также разработка методики определения плотности силиката натрия, которой соответствует полное отсутствие дополнительных осадок при производстве инъекционных работ.

Во второй главе' разработан метод усиления оснований эданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора повышенной температуры; представлена п: характеристика грунтов, методика и результаты лабораторных к полевых экспериментов; установлено влияние температуры и плотности силикатного раствора на интенсивность проявления фильтрационного (просеивающего) эффекта и период полного набора прочности закрепленного грунта; доказана зависимость пареметров закрепления от температуры силиката натрия.

Объектом исследований были лессовидные суглинки Ростовской области и лессовидная супесь из Запорожья. Лабораторное закрепление грунтов выполняли в специально сконструированном фильтрационном приборе, позволяющим производить закрепление в строго определенном интервале температур. Период полного набора прочности грунта, закрепленного в различном температурном режиме, изучали методами прямых испытаний и ультразвуковым прозвучгва-■ ниеы на приборе УК-ЮП. Механические характеристики закрепленных образцов определяли по ГОСТ 26447-85. Всего испытано более 400 образцов.

При мелкомасштабных полевых экспериментах нагнетание силиката натрия производили с помощью пневмобака объемом 8л в перфорированную трубку длиной 1,2 м и диаметром 25 мм. Границу закрепленного грунта устанавливали по реакции на фенолфталеин. Крупномасштабный полевой эксперимент проводили на площадке АШ-3 завода "Агомыаш" в г.Волгодонске. Опытный участок состоял

И8 12 скважин. Силикатизация грунтов выполнялась на все мощность, просадочной толщи в интервале от 2 до 15 м. Использовали силикат натрия плотностью от 1,15 до 1,30 г/сьг3 при температуре 20... 70°С. Объем закрепления 260 ы3. Расход раствора 350 л на I м3 грунта. Погружение инъекторов задавливанием производили установкой УШ-2Т. Контроль качества закрепления грунтов осуществляли путем проходки шурфа буровым агрегатом С0-2.

Физико-химический анализ фильтрата и определение удельного количества поглощенного грунтом силиката натрия показала, что температура закрепляющего раствора оказывает влияние на характер обменных реакций, происходящих при взаимодействии силикатного раствора с минералами лессового грунта, снижая интенсивность сорбции соединений щелоча и кремнекислотн из силикатного раствора. Этот вывод подтверждается результатами исследований А.П.Писаренко. и др., которые отмечали, что "с повышением температуры...адсорбция растворенных веществ на твердой поверхности всегда уменьшается". Установлено, что при увеличении температуры увеличивается плотность фильтрата и содержание в фильтрате окислов кремния и натрия.

Оптимальная температура силиката натрия с точки зрения наиболее полного использования введенного в грунт раствора составляет 60;..80°С. В этом температурном интервале в 1,1-1,7 раза увеличиваются деформационные характеристики закрепленного грунта, период полного набора прочности сохраняется до I часа (при 80°С).

Впервые при закреплении искусственно уплотненных лессовидных суглинков экспериментально исследован фильтрационный эффект и доказана его зависимость от плотности и температуры силикатного раствора. Природа фильтрациннного эффекта заключается в том, что при инъекции силиката натрия уплотненные суглинки в приинъеятор-1

ной зоне действуют как полупроницаемая мембрана, которая про- , пускает гидролитически образующуюся едкую щелочь и вызывает быструю коагуляцию части коллоидного кремнезема. Последний осаждается в виде пленок на стенках инъекционных сквакин, вызывая дополнительную кшматацгаэ пор. Фильтрационный эффект приводит к уменьшению прочности и равномерности закрепления лессового грунта, снижению радиуса зекрепления. Выполненные исследования показали, что при увеличении плотности раствора в интервале 1,15... 1,30 г/смЗ и температуры в интервале 20. ..80°С интенсивность проявления фильтрационного эффекта значительно уменьшается. Возрастает равномерность закрепления по радиусу.

Радиус закрепления при использовании растворов повышенной температуры может быть приближенно определен из следующего выражения: _,

где КНИ радиусы закрепления, ы, ври использовании силикатных растворов соответственно повышенной и обычной температуры;

исходная динамическая вязкость, мПа-с, этих растворов;

А - эмпирический коэффициент, зависящий от соотношения коэффициентов проницаемости грунта для силикатных растворов различной температуры. Для Ростовских лессовидных суглинков А=0,85.

Результаты полевых экспериментов в г.Ростове-на-Дону и Волгодонске показали, что при инъекции силикатного раствора подогретого до температуры 70°С радиус закрепления увеличивается на 30...50^ в сравнении с раствором обычной температуры. Дая- ■ нне фактических замеров величины радиуса закрепления в полевых

экспериментах показали высокую сходимость с расчетными по формуле (I).

Снижение исходной вязкости подогретых растворов не может окавнвать серьезного влияния на увеличение радиуса закрепления из-за резкого падения температуры уже на начальном отрезке фильтрации (на расстоянии 15-20 сы от инъектора температура нагнетаемого раствора в среднем в 3 раза ниже начальной). Есть весомые основания считать, что увеличение радиуса закрепления при инъекции растворов повышенной температуры вызвано-главным образом "подавлением" фильтрационного эффекта в уплотненной приинъ-екторной зоне. При этом подогретый раствор за пределами уплотненной зоны оказывается более.плотным, менее обедненным соединениями натрия и кремния в сравнении с раствором обычной температуры и поэтому способен закрепить больший объем грунта.

В третьей главе разработан метод усиления оснований зданий и сооружений на лессовых прос ад очных грунтах инъекцией силикатного раствора с добавкой неорганических солей (фторида натрия, хлорида железа и оксалата аммония); представлена оригинальная методика лабораторных исследований, позволяющая в короткий срок определить близкую к оптимальной рецептуру силикатного раствора при различной химической активности грунта; изучен процесс гелеобразования двухкомпоненнтных закрепляющих растворов различного состава; по результатам математического планирования эксперимента установлена оптимальная' рецептура раствора при различной влажности и химической активности грунтов.

Особенностью предложенной методики лабораторных исследований является обоснование возможности моделирования среды фильтрации различной химической активности путем введения в силикат-

ный раствор определенного количества ионов Разработанная .

методика в принципиальной части заимствована из работ В.В.Аска-лонова и позволяет получить качественную картину результатов взаимодействия силикатного раствора с лессовым грунтом.

При анализе гелеобразования двухкомпонентных закрепляющих растворов различного состава установлено, что с увеличением плотности раствора, уменьшением химической активности среды фильтрации и снижением концентрация добавки солей хлорида железа, скса-лага аммония и фторида натрия время гелеобразования и интервал времени ыезду началом и концом гелеобразования увеличиваются. В сравнении с эталонным силикатным раствором той же плотности добавка предложенных солей приводит к значительному сокращению вре-'-мени гелеобразования и возрастанию объема выпадающего осадка.

На основании анализа последних характеристик установлена близкая к оптимальной область значений плотности раствора и концентрации добавки в условиях различной химической активности среды фильтрации. С целью определения оптимальной рецептуры силикатного раствора вблизи этой области был спланирован и реализован активный эксперимент в соответствии с матрицей ортогонального центрального композиционного плана второго порядка. При выполнении эксперимента использовали образцы искусственной структуры со следующими физико-химическими характеристиками: влажность 0,19 дол.ед., пористость 48,14^, степень влажности 0,58 дол.ед., емкость поглощения 28 ыл/экв.на 100 г грунта, карбонатность -8,655. По результатам планирования эксперимента ¡методом шаговой регрессии на ЭВМ ЕС-1037 рассчитывали математическую модель процесса, которая затем служила основой для оптимизации. Отыскание глобального максимума функции трех переменных производили методом случайных блужданий с направляющей сферой.

Оптимальный состав двухкомпонентного закрепляющего раствора

- I-i -

по результатам выполненного эксперимента имеет вид: плотность силиката натрия 1,12 т/ал3, концентрация добавки оксалата аьио-ния 0,3 вес.?, фторида натрия 0,1 вес.?, хлорида железа 0,04 вес.?, При лабораторном закреплении грунтов,отобранных на вести площадках Краснодарского края и Ростовской области установлено, что использование предлагаемой рецептуры закрепляющих растворов позволяет увеличить предел прочности на сжатие силикатизнрован-ного грунта на 0,07...0,55 Ша или в среднем на 23...94«, повысить его водостойкость. Для оценки эффективности предлагаемых составов двухкомпонентных закрепляющих растворов на площадке Ростовского вино-водочного завода были выполнены опнзные работы. Инъекцию проводили на глубине 3. ..4 м в 4 сквакины, расположенные на расстоянии 1,5 и друг от друга. Объем инъекти{уемого раствора на заходку высотой 1м- 260 л. Через 30 суток после инъен-ции был пройден шурф и отобраны монолиты грунта для оценки качества закрепления.

По результатам полевого эксперимента установлено, что применение предлагаемых двухкомпонентных составов позволяет увеличить среднюю по радиусу величину предела прочности на сжатие на 18-36$.

В четвертой главе разработана методика определения технологических параметров инъекции, при которых исключаются дополнительные осадки фундаментов в период производства работ по химическому закреплению;^обоснована схема закрепления, обеспечивающая минимальную неравномерность осадки здания; предложен метод расчета величины дополнительной осадки фундаментов • в период инъекции в случае, когда рабочая плотность силиката натрия назначается ниже критического (оптимального) значения.

Исследования В.Н.Баранова показали, что несмотря на мгио- .

венный характер обменной реаяции, прочность образцов в возрасте 5 мин составляет лишь 20-ЗС& от прочности, которую они приобретают через 28 суток. Аналогичное соотношение имеет место и -для модуля деформации закрепленного грунта. При этом начальное значение модуля деформации силикатизированного грунта может быть меньше модуля деформации естественного лессового грунта, что является основной причиной появления дополнительных осадок фундаментов в период производства инъекционных работ.

При расчете закрепленного массива по деформациям необходимо учитывать возможность появления дополнительной осадки фундаментов в период производства инъекционных работ. Величина полной осадки в атом случае будет определяться по формуле:

где - осадка фундамента сооружения, см;

50- осадка массива от подошвы фундамента сооружения до подошвы условного фундамента под действием веса сооружения и сил нагружающего трения, см; осадка условного фундамента, см;

Зу,- осадка фундамента в процессе инъекционных работ, сы:

При усилении оснований деформированннх зданий актуальным является определение условий, при которых дополнительная осадка в процессе инъекционных работ будет отсутствовать .• В основе разработанной методики лежит понятие о "критической" (оптимальной) плотности силиката натрия.

Критической плотностью предлагается считать такую плотность силикатного раствора, использование которой позволяет силикати-зированному грунту приобретать непосредственно после инъектигэ-вения модуль деформации такой же величины, как и у естественного грунта природной влажности. Особенность разработанной методики

состоит б следующем: критическую плотность силиката натрия определяют в результате сравнительных компрессионных испытаний естественного и силикатизированногэ грунта при моделировании природного температурного режима: количество закрепляющего раствора,

%

которым пропитывают образца (250-500 мл) позволяет оценить среднюю сжимаемссть грунта в пределах радиуса закрепления; при компрессионных испытаниях возраст сшгакатизироваяного грунта на различных ступенях нагрузки принимают одинаковым. Установлено, что величина критической плотности максимальна (более 1,20 т/см3) при влажности менее 0,10 и более 0,22 дол.ед.

Для изучения динаншш осадок зданий при выполнении инъекционных работ с использованием плотности рабочего раствора меньше оптимального значения и обоснования схемы закрепления, которой соответствует наименьшая неравномерность осадок в г.Волгодонске был проведен крупномасштабный эксперимент.

Эксперимент проводился на грех объектах, фундаменты и несущие конструкции которых испытали неравномерные деформации при просадке грунтов оснований от собственного веса, вызванной интенсивным подъемом УГВ вследствие техногенного подтопления территории. Экспериментальные объекты представляют собой пяти- и девяти-этазные крупнопанельные жилые здания серии 1-464 Д-84 и 96. Лессовидные суглинки в основании экспериментальных объектов относятся ко П типу грунтовых условий по просадочности, характеризуются повышенной степенью влажности (0,65-0,85 дол.ед.) и емкостью поглощения (25-35 мг/экв.на 100 г грунта). К началу работ по силикатизации для большинства блок-секций величина средней осадки превысила предельно допустимое значение.

Для закрепления грунтов в основании жилых зданий использовали силикат натрия плотностью 1,2-1,3 г/см5. Закрепление грунтов

на объектах выполняли по 3 различным схемам. Учитывая, что на , величину неравномерности осадок здания в период инъекционных работ существенное влияние будет оказывать порядок закрепления полосы грунта под фундаментом-по периметру блок-секции, по схемам I и 2 выделенная полоса ггунта закреплялась отдельно от- остального массива соответственно на первом и последнем этапе производства работ. При этом массив грунта внутри блок-секции закрепляли отдельными блоками, размер которых определялся конструктивно. Отличие схемы З'состояло в том, что полоса грунта по периметру не выделялась, а была включена в состав блоков. Закрепление грунтов в пределах каждого блока выполняли при сгущении точек инъекции от центра блок-секции к периферии.

Динамика осадок фундаментов зданий до начала химического закрепления в период производства инъекционных работ и после их завершения изучалась на 12 блок-секциях, входящих в состаз экспериментальных объектов по 82 маркам. Измерение осадок до начала работ производили в среднем один раз в 1-2 месяца. Е период выполнения инъекционных работ измерения проводили подекадно (один раз в 10 дней).

Результаты производственного эксперимента показали, что в течение 1-3 десятидневок производства инъекцибнных работ происходит заметнее увеличение (в 1,5-2,5 раза) осадок фундаментов. Величина дополнительной осадки составила от 2 до 26 мм при среднем значении 10-18 мм. К концу химического закрепления ссачка уменьшается.

Аналитический расчет осадки фундаментов зданий и сооружений в период выполнения работ по химическому закреплению грунтов в их основании весьма сложен. Поэтому использовали экспериментальный путь решения данной задачикоторый заключался а оп-

ределении зависимости величины осадки от различных влияющих сак-торов.

Математическая модель, описывающая эту зависимость, имеет вид: к ^

Д А (3)

. I Мо

+ 1,807-И-и/-о.об8б-Эа (4)

где: - осадка здания в течение каждых десяти дней производства работ по химическому закреплению;К - количество десятидневок производства инъекционных работ;3 - интенсивность производства инъекционных работ, мЗ/сут; А^иА^ соответственно, площадь закрепленной и незакрепленной части здания по итогам работы в предыдущую десятидневку, м2;Н - глубина закрепления от подошвы фундамента, м; V/ - средняя влажность ествст-венного лессового грунта, дол.ед;$о1- средняя подекадная осадка за последние три месяца до силикатизации, мм.

Математическая модель справедлива при следующих условиях: закрепление сплошное, выполняется на всю мощность просадочной толщи; глубина закрепления от подошвы фундамента не превышает 11,5 м; интенсивность производства инъекционных работ не более 85 м^/сут; рабочая плотность силиката натрия меньше оптимального значения не более, чем на 0,1 г/см3; средняя подекадная осадка эа последние 3 месяца до силикатизации не превышает 2,8 мы/10 дней.

Обоснование схемы закрепления, минимизирующей величину неравномерности осадок, производили. • расчетным путем с использованием математической модели. Прямое сравнение величины неравномерности осадок при различных схемах закрепления было невозможно из-за различия инженерно-геологических условий, особенностей

конструктивных схем зданий, интенсивности производства янъекцион-, ннх работ и других причин. В соответствии с оптимальной схемой, на первом этапе закрепляют полосу грунта под фундаментом здания по периметру блок-секции. Затем закрепляется грунтовый массив под пятном здания при направлении сгущения точек инъекции внутри выделенных блоков от центральной части блок-секции к периферии.

В п ят о 8 главе разработан метод усиления оснований зданий и сооружений на лессовых лросадочных грунтах инъекцией силикатного раствора с использованием интенсивной технологии производства работ; обоснована оптимальная схема приготовления силикатного раствора повышенной температуры и инъекции его в ггунт; определены теплопотери силикатного раствора в грунте в процессе фильтрации и зависимость коэффициента фильтрации грунта от температуры и плотности силиката натрия. Представлен экономический эффект от внедрения результатов выполненных исследований.

Максимальная величина теплопотерь раствора повышенной темпе--ратуры при использовании тупиковой схемы подачи раствора приходится на первую треть объема силиката натрия, закачиваемого на за-ходку и достигает 50-60?, причем первые порции раствора имеют температуру не выше 20°С. Кольцевая схема приготовления раствора по- ' зволяет снизить теплопотери силиката натрия.

Исследована динамика изменения температуры раствора в грунте на различном расстоянии от инъектора в период и после окончания инъекционных работ. Получено аналитическое выражение, описывающее зависимость динамики изменения температуры раствора в грунте от времени инъекции, расстояния от точки инъекции, начальной температуры раствога и грунта, их физических и теплофизических характеристик в условиях плоско-радиальной фильтрации крепителя.

Результаты полевых экспериментов ^позволили сделать еызод о

том, что увеличение расхода раствора приблизительно в 2 раза сникает теплопотерг силикатного раствора с повышенной начальной температурой в грунте в процессе фильтрации и повышает на 15-40» радиус закрепления.

При одинаковом давлении инъекции расход раствора плотностью 1,30 г/см^ и температурой 70°С увеличивается в 2...5 раз в сравнении с раствором меньшей плотности (1,15-1,20 г/см^) и температурой не выше 20°С, на 40-60$ сокращается время инъекции.

На основании выполненных исследований разработан интенсивный режим инъекции,учитывающий возможность увеличения расхода подогретого силиката натрия при том же давлении нагнетания, пониженную температуру первых порций раствора, значительное снижение вязкости основного объема инъектируемого силикатного раствора, а также уменьшение теплопотерь фильтрующегося в ггунте раствора и увеличение радиуса закрепления при возрастании величины расхода силиката натрия. Интенсивная технология объединяет положительные стороны как ускоренного способа силикатизации, так и способе, основанного 'на использовании закрепляющего раствора повышенной температуры и позволяет достичь суммарного эффекта увеличения радиуса закрепления. Отличие интенсивной технологии состоит в том, что с целью увеличения радиуса закрепления, сокращения времени инъекции, а также увеличения объема грунта, обработанного раствором оптимальной температуры,нагнетание осуществляется непрерывно в два этапа: на первом этапе инъектируется первая треть запланированного на заходку объема силиката натрия с расходом, обеспечивающим постепенное увеличение (в 2-4 раза) скорости распространения раствора на фронте растекания; на втором этапе оставшиеся 2/3 объема инъектируются с постоянной скоростью распространения раствора, по величине, равной наибольшей скорости из полученных

на первом этапе. Опытно-производственный эксперимент, выполнен- • ный на площадке вино-водочного завода г.Ростова н/Д, показал,что при использовании интенсивной технологии радиус закрепления увеличивается на 11-57$.

Внедрение метода усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора повышенной температуры позволило получить суммарный экономический эффект в размере 849,4 тыс.руб. за счет сокращения объема буро-инъекционных работ. Экономический эффект от внедрения новых составов двухкомпонентных растворов при усилении оснований котельной и общественно-бытового корпуса на ст.Ладожской составил около 15 тыс.руб. при экономии 196 т жидкого стекла. Внедрение технологии закрепления лессовых грунтов оптимальной (критической) плотностью силиката натрия при усилении основания аварийного здания детского сада в г.Константиновске позволило получить экономический эффект в размере 35,0 тыс.руб. при экономии 265 т арматуры, 67 мЗ монолитного бетона и 366 т цемента.

ВЫВОДЫ

1. В настоящее, время актуальной проблемой являетсягразработ-ка надежных способов усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах с целью предотвращения развития в конструкциях этих зданий прогрессирующих деформаций аварийного характера, а также для выполнения работ по реконструкции. Многолетний производственный опыт показал, что одним из наиболее надежных и эффективных методов усиления оснований на лессовых просадочных грунтах является инъекционный способ силикатизация. Исследования, посвященные вопросам повышения эффективности и удешевления дачного способа, имеют большое практическое значение.

2. Разработан метод усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора

повышённой температуры.

В результате изучения зависимости механических характеристик закрепленного грунта, интенсивности фильтрационного эффекта и радиуса закрепления от температуры силиката натрия определена оптимальная температура инъекции, которая составляет 60...80°С.

Использование силикатного, раствора в оптимальном температурном режиме уменьшает его вязкость и в значительной степени сникает интенсивность проявления фильтрационного эффекта в прискважин-ной зоне, что позволяет увеличить на 30-50? радиус закрепления и улучшить технологический режим инъекции. По результатам опытно-производственного эксперимента при одинаковом давлении инъекции расход раствора, подогретого до 70°С, увеличивается в 2...5 раз в сравнении с ненагретым раствором, на 40-64? сокращается время инъекции.

В оптимальном температурном режиме относительная прочность повышается в среднем в 1,2-2,0 раза, модули упругости и общей деформации закрепленного грунта - в 1,1-1,7 раза , период набора прочности сокращается в 56-60 суток при температуре силикатного раствора Ю°С до I ч. при 80°С.

3. Разработан метод усиления оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах инъекцией силикатного раствора с добавкой солей фторида натрия, хлорида железа и щавелевокислого аммония. По результатам математического планирования эксперимента установлена оптимальная рецептура двухкомпонентного раствора, инъекция которого позволяет увеличить предел прочности на сжатие силикатизированного лессового грунта на 0,07...0,55 МПа, или в среднем на 23...94?, увеличить его водостойкость от 70 до 100? и повысить равнопрочность закрепления по радиусу.

Предложена методика лабораторных исследований, позволяющая

в короткий срок определить близкую к оптимальной рецептуру сила- • катного раствора в условиях различной химической активности среды фильтрации.

4. Разработана методика определения "критической" плотности силиката натрия, использование которой позволяет определить технологические параметры инъекции,. ..полностью исключающие дополнительные осадки фундаментов в период производства инъекционных работ.

Исследована зависимость критической плотности от естественной влажности лессового грунта. Установлено, что величина критической плотности принимает максимальные значения (более 1,20 г/см3) пги влажности менее 0,10 и более 0,22 дол.ед.

5. Результаты производственного эксперимента показали, что появление дополнительных осадок фундаментов обычно происходит в течение 1-3 десятидневок производства инъекциошгах работ. По абсолютной величине в этот период осадки усиливаются в среднем в 1,52,5 раза. К концу химического закрепления величина осадки снижается.

При обработке на ЭВМ результатов крупномасштабного эксперимента получена математическая модель, описывающая изменение осадок фундаментов зданий и сооружений в период инъекции и позволяющая на этапе проектирования произвести приближенный расчет их величины.

6. На основании исследования зависимости величины неравномерности осздок фундаментов в период инъекции от различных влияющих факторов при закреплении грунтов в основании экспериментальных объектов по трем различным схемам обоснована схема закрепления, которой соответствует минимальная неравномерность осадки здания при выполнении работ по химическому закреплению. Согласно данной

схеме, на первом этапе закрепляют полосу грунта под фундаментом здания по периметру блок-секции. Затем закрепляется грунтовый массив под пятном здания при направлении .сгущения точек инъекции внутри выделенных блоков от центральной части блок-секции к периферии.

7. В результате объединения ускоренного способа силикатизации и способа, основанного на использовании закрепляющего раствора повышенной температуры разработана интенсивная технология производства работ, отличающаяся тем, что с целью увеличения радиуса закрепления, сокращения времени инъекции, а также увеличения объема грунта, обработанного раствором оптимальной температуры нагнетания осуществляются непрерывно в два этапа: на первом этапе инжектируется первая треть запланированного на заходку объема силиката натрия с расходом, обеспечивающим постепенное увеличение скорости распространения раствора на фронте растекания; на втором этапе оставшиеся 2/3 объема инъектируются с постоянной скоростью распространения раствора, по величине, равной наибольшей скорости из полученных на первом этапе.

8. Внедрение метода усиления оснований зданий и сооружений

на .лессовых просадочннх'.грунтах инъекцией силикатного раствора повышенной температуры позволило получить экономический эффект в сумме 849,4 тис.руб. Экономический эффект от внедрения новых составов двухкомпонентных силикатных растворов, а также технологии закреплнния лессовых грунтов оптимальной (критической) плотностью силиката натрия составил 50 тыс.руб. при экономии 196 т жидкого стекла, 266 т арматуры, 67 мЗ монолитного бетона и 366 т цемента.

СПИСОК РАБОТ ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИИ ■I. Интенсификация однорастворного способа силикатизации лессовых грунтоЕ//Тр.ин-та/ НИИ оснований и подземных сооружений. 1987. Вып.87. с.74-80 (соавтор Ю.А.Грачев).

\

2. О влиянии равномерности закрепления на механические ха- . рактеристики силикатизированных грунтов // Пути снижения материалоемкости строительных конструкций: Тез.докл.областной научно-практ.конф. - Ростов н/Д,1Э88, с.34-37.

3. Особенности упрочнения лессовидного суглинка, закрепленного силикатным раствором в различном температурном режиме // ХУ на-учн.конф.молодых ученых геол.ф-та МГУ: Тез. докл. - М., 1988. -Рукопись представлена МГУ. Деп. в ВИНИТИ 17.06.88, № 4780-В-88.

4. Применение ультразвука для изучения процесса упрочнения силикатизированного лессового грунта // Вопросы исследования лессовых грунтов и методов возведения фундаментов на них: Сб.научн. тр. / Под ред. В.П.Ананьева. - Ростов н/Д: РИСИ, 1989, с.85-88'.

5. Минимизация неравномерности осадок зданий при однораствор-ной силикатизации лессовых.грунтов // Строительные конструкции и их зашита от коррозии: Сб.статей / Под ред. Пиневича С.С. -Ростов н/Д: Ростовский Промстройниипроект, 1989, с.48-56 (соавтор Ю.А.Грачев).

6. Влияние подогрева жидкого стекла на эффективность силикатизации лессовых просадочных грунтов // Строительные конструкции и их защита от коррозии: Сб.статей / Под ред. Пиневича С.С. -Ростов н/Д: Ростовский Промстройниипроект, 1989, с.56-61 (соавтор Ю.А.Грачев).

7. Разработка метода усиления основений зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах силикатным раствором с добавкой неорганических солей // Строительные конструкции и их защита от коррозии: Сб.статей / Под ред. Пиневича С.С. - Ростов н/Д: Ростовский Промстройниипроект. 1991, с.102-115.

8. О необходимости учета "критической" плотности силикатного раствора при усилении оснований зданий и сооружений // Стрр-

ительные конструкции и их защита от коррозии: Сб.статей / Под реД. Пивевича С.С. - Ростов н/Д: Ростовский Промстройниипроект. 1991, с. II6-I26 (соавтор Ю.А.Грачев, А.Ф.Селезнев).

9. Заявка !$ 5025052/33 от 22.01.92 г. Состав для закрепления грунта. Решение о выдаче патента от 9.03.93 г. ( соавторы Ю.А.Грачев, А.Ф. Левченко, А.Т.Черный, Э.М.Геллерштейн).

\