автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Слабые водонасыщенные грунты, образованные обводнением лессов, как основания сооружений в условиях Республики Таджикистан

УДК 624.131.23:624.151.2:624.159.11

На правах рукописи

Усманов Рустам Алимджанович

СЛАБЫЕ ВОДОНАСЫЩЕННЫЕ ГРУНТЫ, ОБРАЗОВАННЫЕ ОБВОДНЕНИЕМ ЛЕССОВ, КАК ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Астана, 2009

4844406

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

Научный консультант: Р. А. Мангушев

доктор технических наук

Официальные оппоненты: А.Б.Фадеев

доктор технических наук;

В.Н. Бронин

доктор технических наук; В.Н. Попов

доктор технических наук

Ведущая организация: АО «Международная образовательная

корпорация» Казахстанская государственная архитектурно-строительная академия

Защита состоится во вторник «31 »марта 2009 года в 14:00 час. на заседании диссертационного совета Д 14.61.17А при Евразийском национальном университете им. Л.Н.Гумилева по адресу: 010008, Республика Казахстан, г.Астана, ул. Мунайтпасова, 5; Учебно-лабораторный корпус, аудитория 823, телефон +7-7172344796; е- mail: zavackaj@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Отырар кггапханасы» по адресу: ул. Мунайтпасова, 5, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева

Автореферат разослан «_ »_2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 14.61.17А, доктор технических наук

Т.М. Байтасов

Введение

Общая характеристика работы. Приведенные в диссертационной работе комплексные исследования и разработки по решению проблемы строительства зданий и сооружений (3С) на слабых водонасыщенных лессовых грунтах (СВЛГ) в условиях Республики Таджикистан, обеспечивают решение крупной научно-прикладной проблемы - повышение надежности и эффективности застройки территорий, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами. В соответствии с научной концепцией, выдвинутой соискателем, СВЛГ в основании рассматриваются как особое техногенное новообразование, формирование которых обусловлено интенсивным воздействием природных и техногенных факторов обводнения на ранее маловлажные лессовые породы, что предполагает возведение и эксплуатацию геотехнической системы «основание - фундамент - сооружение» рассматривать неразрывно и во взаимосвязи с измененными условиями строительства.

Актуальность проблемы. Запрещение строительства ЗС на пригодных для сельского хозяйства земляных массивах, привело к освоению под застройку ранее непригодных площадей, в т. ч. обводненных и заболоченных территорий. В то же время, в начале 70-х годов XX века, в связи с бурным развитием орошения в Республике Таджикистан, происходит резкий подъем уровня подземных вод (УПВ), наблюдается процесс интенсивного обводнения и водонасыщения обширных территорий, сложенных ранее маловлажными лессовыми грунтами, в результате чего происходит существенное ухудшение их физико-механических характеристик и, как правило, они переходят в категорию слабых и сильносжимаемых, с присущими специфическими свойствами (малая несущая способность, высокая сжимаемость, неравномерность и длительность протекания осадок во времени, высокое расположение уровня подземных вод и др.). В настоящее время более 30% осваиваемых территорий в республике представлены этими грунтами, где зачастую на глубине 0...5 м от поверхности залегают различные разновидности водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов (суглинки, супеси, реже глины), толщиной от 3 до 30 м и более.

Существующие города и крупные населенные пункты, в основном, расширяются за счет освоения под застройку близлежащих к ним территорий, часто представленных СВЛГ. Проектирование, строительство и эксплуатация ЗС на указанных грунтах связано с большими затруднениями, обусловленными как специфическими свойствами грунтов, так и отсутствием соответствующих экспериментально-теоретических исследований, по разработке надежных и эффективных методов подготовки оснований и устройства фундаментов, в сейсмически активных районах республики.

Сложное экономическое положение страны, дефицит и высокая стоимость широко используемых в строительстве материалов (в основном металла, цемента и древесины) способствуют значительному удорожанию стоимости и повышению трудоемкости устройства оснований и фундаментов ЗС на СВЛГ (стоимость возведения нулевой части зачастую составляет 25...30 %, иногда и более, от сметной стоимости объекта).

Следовательно, разработка и научное обоснование прогрессивных и экономичных методов строительства на обводненных и водонасыщенных территориях представляет важную народнохозяйственную задачу и, ее решение, соответствует велению времени и технической политике в области строительства, осуществляемой в Республике Таджикистан.

Целью работы является: на основе изучения состояния проблемы промышленного и гражданского строительства на территориях, сложенных СВЛГ, исследования изменения их физико-механических и прочностных свойств, условий залегания, особенностей напряженно-деформированного состояния однородных и неоднородных оснований разработать рациональные методы проектирования и устройства оснований и фундаментов в Республике Таджикистан.

В соответствии со сформулированной целью работы были поставлены и решались следующие задачи: -

- изучить и выявить основные факторы, характеризующие особенности строительства ЗС на СВЛГ; обобщить опыт существующей практики изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации ЗС на СВЛГ; определить направления совершенствования указанного комплекса;

- изучить инженерно-геологические условия залегания, особенности образования и распространения СВЛГ на территории республики Таджикистан, установить основные причины их обуславливающие. Выявить типовые схемы залегания этих грунтов в основании. Разработать классификацию типов оснований и видов фундаментов на СВЛГ;

- исследовать особенности изменения физико-механических и прочностных свойств лессовых просадочных грунтов при их водонасыщении в лабораторных и полевых (натурных) условиях.

- провести анализ и обобщить опыт применения различных методов подготовки и устройства фундаментов, выявить для дальнейшего исследования рациональные их типы и способы (фундаменты на естественных и искусственных основаниях) на СВЛГ в условиях Таджикистана;

- исследовать возможность и эффективность использования в качестве оснований СВЛГ и неоднородных оснований (с верхним неводонасыщенным и нижним слабым подстилающим слоем) в природных условиях их залегания. Произвести анализ напряженно-деформированного состояния системы «фундамент -неводонасыщенный грунт - слабое основание» аналитическими и численными методами, сравнить их с результатами штамповых испытаний в натурных условиях;

- разработать и исследовать технологию устройства и особенности работы искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек из местных материалов, подстилаемых СВЛГ и неоднородными напластованиями грунтов;

- разработать и исследовать технологию изготовления малоармированных самоформирующихся набивных свай (СНС) и песчаных дрен (ПД) в качестве фундаментов и метода подготовки оснований в СВЛГ, изучить особенности их работы в натурных условиях, с последующей разработкой методики расчета и технических условий на их изготовление;

- исследовать особенности работы однородных и искусственных оснований, сложенных СВЛГ, при сейсмических нагрузках (имитируемых сейсмовзрыв-ными воздействиями);

- разработать рекомендации по проектированию и устройству фундаментов на естественных, неоднородных и искусственных основаниях, подстилаемых СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах:

- впервые по разработанной единой комплексной методике и программе были организованы и проведены исследования слабых водонасыщенных лессовых фунтов Центрально-Азиатского региона в лабораторных и полевых (натурных) условиях.

- проведены исследования особенностей обводнения и перехода лессовых просадочных грунтов в водонасыщенное состояние, изучены инженерно-геологические условия формирования и изменения строительных свойств СВЛГ Таджикистана с составлением таблиц нормативных значений прочностных и деформационных характеристик пылевато-глинистых грунтов.

- установлены и предлагаются для практического использования типовые схемы залегания СВЛГ в основании 3С. Разработана классификация типов оснований и видов фундаментов при освоении под застройку территорий, сложенных указанными грунтами.

- выявлены и проведены комплексные исследования эффективных методов устройства оснований и фундаментов 3С на СВЛГ, образованных обводнением и водонасыщением раннее маловлажных лессовых пород.

- в натурных (полевых) условиях исследованы закономерности напряженно-деформированного состояния естественных, неоднородных (слоистых) и искусственных оснований, сложенных СВЛГ, при статических и сейсмических (имитируемых сейсмовзрывными воздействиями) нагрузках.

- разработаны основные положения по методике проектирования, расчета и устройства фундаментов ЗС на естественных и искусственных основаниях, сложенных СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

Научные положения (результаты), выносимые на защиту:

- результаты исследований по изучению и систематизации инженерно-геологических условий залегания, особенности образования и распространения СВЛГ в различных регионах Республики Таджикистан; качественного и количественного изменения основных строительных свойств лессовых просадочных грунтов при их обводнении и водонасыщении;

- комплексная оценка результатов экспериментальных и теоретических исследований, определяющих эффективность использования в качестве оснований однородных и неоднородных оснований, подстилаемых СВЛГ, в условиях их природного залегания;

- комплексная оценка результатов экспериментальных и теоретических исследований, определяющих эффективность применения искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек из местных материалов на однородных и неоднородных основаниях, подстилаемых СВЛГ;

- комплексная оценка результатов исследований по технологии устройства и особенностям работы малоармированных СНС и вертикальных ПД на СВЛГ;

- результаты анализа натурных экспериментальных исследований влияния сейсмических нагрузок, имитируемых сейсмовзрывными воздействиями, на несущую способность и деформируемость однородных и искусственных основа-ний.сложенных СВЛГ; методика учета снижения несущей способности искусственного основания при сейсмических воздействиях различной интенсивности;

- научно-практические рекомендации по выбору и проектированию эффективных методов устройства фундаментов ЗС на естественных и искусственных основаниях, сложенных СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

Практическая ценность работы:

- обобщены и систематизированы материалы по изучению инженерно-геологических условий образования, залегания и определения строительных свойств СВЛГ в различных регионах Республики Таджикистан (для использования при составлении нормативных документов по проектированию оснований и фундаментов на СВЛГ);

- разработаны положения и требования по проектированию и устройству фундаментов на неоднородных основаниях в условиях их природного залегания, подстилаемых СВЛГ;

- разработаны технология устройства, основные положения и требования по проектированию фундаментов на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных подушек из различных материалов (гравийно-галечниковые, песчаные, грунтоизвестковые и др.), сложенных СВЛГ и неоднородными основаниями;

- разработана и апробирована в натурных условиях технология эффективного способа устройства малоармированных СНС и вертикальных ПД в СВЛГ, технические условия на их изготовление;

- разработана и внедрена методика проектирования и устройства оснований, уплотняемых с использованием вертикальных ПД и пригрузкой территории на СВЛГ;

- разработаны и внедрены в практику строительства «Рекомендации по устройству искусственных оснований на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах (на примере Таджикской ССР)»;

- с использованием результатов исследований запроектированы, возведены и надежно эксплуатируются многочисленные ЗС промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения на СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы и внедрены:

- при проектировании, строительстве и эксплуатации ЗС промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения в системах Госстроя, Минстроя, Минсельстроя и др. ведомств и организаций Республики Таджикистан;

- при разработке республиканских строительных норм и правил, практических рекомендаций, технических условий и др. документов, регламентирую-

щих исследования, изыскания, проектирование и устройство оснований и фундаментов на СВЛГ;

- при подготовке инженеров, магистров и аспирантов строительного профиля в образовательном процессе ВУЗов Республики Таджикистан

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются: применением основных положений и моделей классической механики грунтов, математической статистики, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, требованиям строительной практики, их корректной постановкой, обоснованными критериями оценки, большим количеством натурных экспериментов, удовлетворительной сходимостью расчетных и опытных данных, использованием современных измерительных приборов и оборудования, методологией проведения экспериментальных работ, применением лицензированных компьютерных программ и подтверждается опытом успешной многолетней эксплуатации ЗС промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения на СВЛГ, где были реализованы основные положения и рекомендации данной работы.

Связь темы диссертации с планами отраслей науки и производства.

Основная часть программы исследований по теме диссертации была выполнена в период 1976... 1990 г.г., в рамках целевой комплексной программы Госстроя СССР и Таджикской ССР, в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской тематике «Провести исследования с целью выбора рациональных методов подготовки оснований и устройства фундаментов зданий, возводимых на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах Таджикской ССР».

Апробация работы. Основные научные положения, результаты исследований и выводы по диссертационной работе докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных и республиканских научных и научно-практических конференциях: «Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 60-летию образования ТаджССР и КП Таджикистана» (Душанбе, 1984); «Республиканская научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов, посвященная 60-летию образования Ленинского комсомола Таджикистана» (Душанбе, 1985); «Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений» (Нарва, 1985); «Подготовка оснований и устройство фундаментов на просадочных грунтах и в сейсмических районах» (Чимкент, 1985); «Proceedings Fifth International Congress International Association of Engineering Geology. 20-25 october 1986» (Buenos-Aires, 1986); «Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении» (Москва, 1987); «Республиканская научно-практ. конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 70-летию Великого Октября» (Душанбе, 1987); «ХУ11 научно-отчетная конференция преподавателей ТПИ» (Душанбе, 1989); «Международная конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 70-летию г.Душанбе» (Душанбе,1997); «Международная научно-практ. конференция «16 Сессия Шурой Оли РТ (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования» (Душанбе, 2002); «Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства

и сейсмологии» (Душанбе, сентябрь 2005); «Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах» (Душанбе, ноябрь 2005); «Наука и инновации в современном строительстве-2007» (Санкт-Петербург, 2007); «Научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах» (Санкт-Петербург, 2008); «Международный научный семинар» (Астана, 2008); «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009).

Полнота опубликованных работ. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе и составляющие содержание диссертационной работы, освещены в 32 научных трудах, в т. ч. из Перечня, утвержденного Комитетом по контролю МО РК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных литературных источников из 321 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации - 252 страницы, включая 110 рисунков и 37 таблиц.

Основная часть

1. Принципы проектирования и строительства зданий и сооружений на слабых водонасыщенных лессовых грунтах

Высокие темпы городского, промышленного и мелиоративного строительства, приводят к коренным изменениям окружающей среды в самых различных природных условиях, резко изменяется водный режим территории, возникают новые источники питания и условия разгрузки подземных вод, нарушается ранее существовавшая гидродинамическая обстановка. В итоге, при соответствующих природных условиях, возникает подъем уровня подземных вод (УПВ) и увеличение влажности грунтов оснований, приводящие к формированию процесса техногенного подтопления, который в настоящее время охватил значительные территории многих стран и рассматривается как "проблема века".

Процессы обводнения площадей, в большинстве случаев, связаны именно с слабопроницаемыми лессовыми грунтами (кф < 1,0 м / сут). Исследования в СНГ и др. странах свидетельствуют, что обводнение может произойти даже в тех случаях, когда просадочная толща сложена грунтами с кф = 1... ■4 м / суг. При обводнении и подтоплении территорий скорость подъема УПВ колеблется от 0,1 до 8,0 м / год. Как показали многочисленные исследования, уже через 3...5 лет наблюдаются изменения в качественном и количественном составе минералов, при этом идет перестройка структуры - в основном разрушаются крисстапизационные связи и формируются новые каогуляционные.

В республике Таджикистан, за последние 25. ..30 лет наблюдается процесс подтопления обширных территорий сложенных, в основном, лессовыми породами различной толщины. При этом, происходит значительный подъем УПВ и во-донасыщение'больших массивов, в результате чего прочный лессовый грунт превращается в особое техногенное новообразование, с весьма низкими прочностными показателями и высокой сжимаемостью. Изучение и обобщение материалов инженерно-геологических изысканий, опыта проектирования, строительства

и исследований позволяет выдвинуть следующую формулировку понятия СВЛГ: "слабыми водопасыщепными лессовыми грунтами называются грунты, образованные в результате изменения (деградации) физико-механических свойств раннее маловлажных лессовых грунтов, под воздействием природных и техногенных факторов обводнения, характеризующиеся малой несущей способностью (R й 100 кПа), высокой сжимаемостью (Е<> 5 МПа) и степенью влажности Sr > 0,8, при установившемся (стабилизированном) уровне подземных вод".

В вопросах исследования строительных свойств слабых водонасыщенных грунтов в странах СНГ, теории и практики строительства ЗС на указанных грунтах, существенный вклад внесли М.Ю.Абелев, Ю.М.Абелев, Л.С.Амарян, В.Н.Ананьев, И.С.Бровко, В.Г.Булычев, Я.Д.Гильман, М.Н.Гольдштейн, В.Н.Го-лубков, А.А.Григорян, Б.И.Далматов, Н.Я.Денисов, А.М.Дранников, В.И.Крутов, П.А.Коновалов, А.К.Ларионов, И.М.Литвинов, Г.М.Ломизе, В.Д.Ломтадзе, Г.А.Мавлянов, Р.А.Мангушев, Н.Н.Маслов, Н.К.Мураталин, А.А.Мусаэлян, А.А.Мустафаев, В.А.Обручев, Полищук А.И., В.Н.Попов, Х.З.Расулов, Д.А.Романов, А.Л.Рубинштейн, Г.М.Скибин, Е.А.Сорочан, Р.А.Токарь, Б.Ж.Унайбаев, Е.С.Утенов, А.Б.Фадеев, А.З.Хасанов, Н.А.Цытович и многие другие.

Значительные исследования в этом направлении были проведены в бывшых Ростовском (РИСИ), Московском (МИСИ) и Одесском (ОИСИ) инженерно-строительных институтах, НИИОСП, САФНИИОСП, ВНИИГиМ, ВНИИ ВОДГЕО, НИС Гидропроекта, ПНИИИС, ДИИТ, МАДИ, СевморНИИпроект, Фундаментп-роект и др. научных и изыскательских организациях.

Многими исследователями отмечается, что повышение влажности лессовых пород сопровождается падением их прочностных и деформационных характеристик, особенно резко проявляющиеся при приближении влажности к некоторой критической величине, примерно равной максимальной молекулярной влаго-емкости. В тоже время, вопросы исследования изменения свойств и особенности строительства сооружений в результате подъема УПВ, обводнения и водонасы-щения более 80,..90 % (0,8...0,9 HJ толщи лессовых просадочных грунтов, в литературе освещены недостаточно.

Целенаправленное изучение свойств СВЛГ и методов строительства на них в Республике Таджикистан, началось в 1968... 1970 годах, в связи с принятием известных постановлений, запрещающих строительство ЗС на пригодных для сельского хозяйства землях и освоением под застройку неблагоприятных территорий. До этого времени, как показывает опыт строительства, указанные площади использовались крайне редко. Вопросам исследования свойств и строительства ЗС на СВЛГ посвящены работы А.А.Мусаэляна, Л.Ф.Сальникова, И.Г.Тахи-рова, Г.О.Орипова, С.ИЛаврусевич, А.Г.Вильфанда, Р.А.Усманова, В.А.Богачко, М.А.Сулеймановой, А.А.Рахманова, Д.Д.Ахмедова и др.

В настоящее время, строительство и эксплуатация ЗС на слабых водонасыщенных грунтах осуществляется по двум направлениям:

1. Применение мероприятий, повышающих несущую способность и уменьшающих возможные деформации основания (методы искусственного уплотнения, закрепления, усиления грунтов и т. д.).

2. Применение конструктивных мероприятий, приспосабливающих здание или сооружение к восприятию ожидаемых по расчету деформаций основания (увеличение жесткости здания путем разрезки на отдельные отсеки осадочными швами, устройство горизонтальных железобетонных поясов и перемычек, армирование кладки стен, устройство железобетонных сердечников и т. п.).

Мероприятия, уменьшающие возможные деформации оснований часто менее трудоемки и более экономичны по сравнению с конструктивными. В то же время, в Республике Таджикистан, практически все конструктивные мероприятия учитываются и выполняются с целью обеспечения сейсмоустойчивости и сейсмозащиты ЗС. Поэтому, при строительстве на СВЛГ, следует применить различные предэксплуатационные методы уплотнения, закрепления или усиления основания.

В этом направлении проведены достаточно широкие исследования и разработаны эффективные методы и способы строительства. Однако, в условиях республики, применение многих методов подготовки оснований и устройства фундаментов крайне ограничено, что связано с высокой сейсмической активностью региона, отсутствием достаточного количества материалов экспериментально-теоретических исследований, технологии и оборудования для их устройства, соответствующих региональных нормативных документов по проектированию и т. д. С целью выявления эффективных методов, был проведен комплексный анализ существующего опыта подготовки оснований и устройства фундаментов на слабых водонасыщенных грунтах, применительно к условиям Республики Таджикистан, на основании которого были определены и, в последующем, проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования:

- для фундаментов на естественном и неоднородном основании, подстилаемых СВЛГ, в условиях их природного залегания;

- для фундаментов на искусственных основаниях, с устройством уплотненных грунтовых подушек из местных материалов на однородных и неоднородных основаниях, сложенных СВЛГ;

- для свайных фундаментов в условиях СВЛГ;

- для фундаментов на основаниях, сложенных СВЛГ, предварительно уплотненных вертикальными песчаными дренами и пригрузкой территории.

В условиях республики, устройство фундаментов непосредственно на поверхности слабых водонасыщенных грунтов не производится. Имеются многочисленные примеры использования лессовых грунтов природной влажности в качестве оснований промышленных и гражданских ЗС. Опыт показывает, что в результате обводнения грунтов основания из различных источников, в т. ч. значительного поднятия УПВ, ЗС претерпели большие неравномерные деформации и потребовали проведения специальных работ по усилению их подземной и надземной частей. Многими авторами было установлено существенное расхождение

значений фактически замеренных и расчетных осадок ЗС на слабых водонасы-щенных грунтах, вычисленных по условиям СНиП. В этом направлении важные исследования проведены Х.Р.Хакимовым, К.Е.Егоровым, Б.И.Далматовым, В.Н.Го-лубковым, М.Ю.Абелевым, П.И.Дранишниковым, В.Б.Швецом, А.П.Почаевцем, М.Г.Ефремовым, В.В.Михеевым, П.А.Коноваловым, Н.Н.Морарескулом, А.В.Гол-ли, А.Н.Сотниковым, В.Н.Брониным, В.П.Ананьевым, Я.Д.ГТильманом, В.П.Резниковым, Ю.Ф.Тугаенко, М.Метс, В.Н.Етимовым, В.М.Чикишевым и многими другими исследователями.

Возведение зданий при наличии неоднородных естественных оснований под фундаментами, с верхним неводонасыщенным прочным и слабым подстилающим слоями (двухслойные основания), один из распространенных случаев строительства на сильносжимаемых основаниях. Исследования напряженно-деформированного состояния указанных оснований проводились, в основном, на малых моделях штампов, в лабораторных и полунатурных условиях и, при этом, в большинстве случаях слабым подстилающим слоем служил торф, заторфованные или предварительно замоченные лессовые грунты. Комплексные полевые исследования влияния толщины верхнего слоя, его плотности, соотношения в осадках составных слоев, глубины сжимаемой толщи, влияния фактора времени на деформации двухслойного основания, подстилаемого СВЛГ, в литературных источниках отражены недостаточно.

Исследования и разработка эффективных методов устройства оснований и конструкций фундаментов на СВЛГ и неоднородных основаниях, подстилаемых ими, были проведены в бывшем Одесском (ОИСИ) и Ростовском (РИСИ) инженерно-строительных институтах. Ими были исследованы и внедрены в практику строительства методы проектирования, как традиционно используемых конструкций фундаментов мелкого заложения (отдельностоящих и ленточных), так и новые эффективные конструкции фундаментов (забивные ребристые, шпальные, клиновидно-шпальные и др.), с использованием в качестве несущего, верхнего более прочного слоя грунта. В большинстве проведенных исследований, слабым подстилающим слоем служили предварительно замоченные лессовые грунты.

Опыт строительства ЗС на СВЛГ в условиях Республики Таджикистан показывает, что здесь могут иметь место два случая:

1. Фундамент располагается на СВЛГ, т. е. когда основание представлено однородными сильносжимаемыми водонасыщенными грунтами;

2. Фундамент устраивается на неоднородном основании, с верхним более прочным неводонасыщенным (выше УПВ) и подстилающим слабым водонасы-щенным (ниже УПВ) слоями.

Устройство фундаментов в первом случае осуществляется крайне редко (в основном, для временных легковесных деревянных и хозяйственных построек). Возведение ЗС на неоднородных основаниях, с подстилающим слабым слоем в природных условиях их залегания под фундаментом - один из характерных случаев строительства на СВЛГ. Во многих регионах республики, УПВ зачастую находится на глубине 3...5 м от дневной поверхности и основание представляет

собой двухслойное - с верхним неводонасыщенным относительно прочным и нижним слабым грунтами (модуль деформации верхних слоев обычно в 3... 5 раз больше слабых подстилающих). В большинстве случаях, ширина подошвы фундаментов назначается необоснованно большой, что приводит к перерасходу бетона и металла.

Искусственные основания с устройством уплотненных подушек из песка, гравия или других прочных материалов широко применяются при возведении ЗС на слабых, насыпных, просадочных, набухающих и пучинистых грунтах. В Республике Таджикистан искусственные основания, с устройством уплотненных песчаных, гравийно-галечниковых и глинистых подушек на СВЛГ, являются одним из широко используемых методов. Тем не менее, опытом эксплуатации ЗС на указанных основаниях, установлено существенное (в пределах 2...4 раз) превышение фактически замеренных осадок ЗС их расчетных значений, вычисленных по условиям СНиП. Отсутствие материалов экспериментально-теоретических исследований, соответствующих региональных нормативных документов по проектированию и расчету указанных подушек, в сейсмически активных районах республики, существенно ограничивали область их применения.

Свайные фундаменты широко используются при возведении ЗС различного назначения и общепринятым является, что сваи должны прорезать слабые слои грунтов и опираться на плотные малосжимаемые породы. Тем не менее, исследованиями сотрудников ОИСИ и РИСИ была установлена возможность и эффективность применения коротких набивных, пирамидальных, бипирамидальных, бик-линарных, клиновидных, козловых, цементогрунтовых и др. свай, устраиваемых в пределах верхнего, плотного слоя неоднородного основания, подстилаемого СВЛГ или замоченными лессовыми грунтами. Несмотря на большие достоинства свайных фундаментов, опыта их исследования и применения на СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан, не имеется.

Уплотнение слабых водонасыщенных грунтов песчаными дренами является эффективным, а иногда и единственно возможным в случаях, когда основания представлены большой толщей (более 12...15 м) слабых грунтов с консистенцией 11 > 1,0. Материалов исследований и опыта уплотнения СВЛГ песчаными дренами, в литературных источниках не установлено. Однако, учитывая опыт эффективного предэксплуатационного уплотнения оснований резервуаров при их гидроиспытаниях (аналогичен методу огрузки территории), более высокую проницаемость СВЛГ, доступность и низкую стоимость песчаного материала, этот метод является перспективным в грунтовых условиях Республики Таджикистан, т. к. позволяет повысить прочностные показатели и снизить сжимаемость СВЛГ, что является важным фактором в сейсмических условиях региона.

2. Инженерно-геологические особенности территорий Таджикистана при их обводнении и подтоплении

Лёссовые породы занимают около 70 % общей площади осваиваемых (равнинных) территорий страны и, в основном, относятся к четвертичным отложени-

ям. Их толщина изменяется от 5 до 300 м, а просадочная толща составляет Н, = 5...30 м, реже более. Наиболее интенсивное строительство ЗС различного назначения, осуществлялось и будет осуществлено в Северо-Восточном, Центрально-Таджикском и Юго-Западном регионах, где наиболее широко распространены указанные грунты. В то же время, именно в этих регионах, были проведены большие объемы работ по орошению обширных территорий под сельскохозяйственное производство (в основном хлопководство). Многолетний опыт эксплуатации оросительных систем и сетей показывает, что процесс обводнения и водо-насыЩения грунтов наблюдается практически во всех орошаемых территориях. Если к 1980 году территории, сложенные СВЛГ, занимали около 14 % всей площади лессовых образований, то в настоящее время их доля составляет более 30 % и наблюдается устойчивая тенденция к их увеличению. Характерной особенностью Центральноазиатских стран является то, что зачастую орошаемые территории находятся либо в пределах больших городов и населенных пунктов, либо расположены в непосредственной близости от них. Это обстоятельство приводит к существенному их взаимовлиянию и усугублению процесса техногенного подтопления территорий.

Условия обводнения и подтопления лессовых пород в Республике Таджикистан имеют свои региональные особенности. Наличие естественных и многочисленных искусственных водохранилищ и водоемов, оказывает мощный подпор грунтовым водам и, наряду с природными и техногенными факторами, интенсифицирует значительный подъем УПВ. Так, строительство Нурекского гидроузла, Байпазинской и Головной ГЭС с одноименными водохранилищами, площадью в несколько сот квадратных километров, способствовали подпору грунтовых вод в Дангаринской, Яванской, Вахшской и части Бешкентской долин, а возведение Каттасайского, Фархадского и Кайраккумского водохранилищ на севере республики, почти во всех районах Согдийской области. Следует отметить, что подпор грунтовых вод наблюдается на расстоянии в несколько десятков, а иногда и сотни километров от мест расположения водохранилищ и водоемов.

В условиях Республики Таджикистан основными природными и техногенными факторами обводнения являются: 1. Фильтрация атмосферных осадков. 2. Приток глубинных подземных вод. 3. Приток воды из напорных водоносных горизонтов. 4. Приток воды из больших гидроузлов, сети водохранилищ и водоемов мелиоративного назначения. 5. Фильтрация воды в результате интенсивного и бесконтрольного полива хлопковых полей и сельскохозяйственных угодий. 6. Фильтрация воды из оросительных сетей. 7. Фильтрация в результате утечки технологических и бытовых вод из различных коммуникаций. 8. Нарушение природного рельефа местности при его застройке. 9. Застройка и покрытие дневной поверхности (устройство асфальтовых и бетонных отмосток, тротуаров, автомобильных дорог и др.), нарушающие процессы тепло-, водо- и газообмена в зоне аэрации и т. д.

Первые три фактора относятся к природным, а остальные шесть к техногенным и связаны с производственной и хозяйственной деятельностью людей.

При этом, подъем УПВ до дневной поверхности, или до глубины, на 2.. .3 м ниже нее, происходит в течение 6... 12 лет, со средней скоростью 2,0... 4,0 м / год.

По материалам изысканий, на рисунке 1 приведены гистограммы обводненных территорий (плошадь обследования составляет 100...500 га и более) с различной глубиной расположения УПВ от дневной поверхности. На примере территории г. Явана (площадь исследования превышает 10 км2), приведена гистограмма основных факторов обводнения и их соотношение (рисунок 2). Определяющими факторами обводнения являются техногенные факторы, доля которых в совокупности составляет от 64 до 71 %, а из природных факторов - атмосферные осадки (1В и 14 %). В целом, для всех регионов республики, наблюдается изменение водного баланса в сторону превышения прихода воды над расходами.

• ■•■ . ¿г ■--<■-. . .. г.Яван

70

и 60

К а SO

щ Я <10

о 30

В so

о о 10

■правый берег левый берег

.. ... ™ ........... « _

п

| гч.л S.3 1

_5 S Г hrt

1 п гЛ

•икр. снутпик г

ч= 70

rj 60

и SO <l>

a w

Е W

S *>

8 >o

■ ==fte

a--/1 10 I-

--ff- I

Oll-i S-S ■> "

0-1 1-3 3 5 >S o-l l-i }S >f

уровень подземных вод WL, м

Рисунок 1 - Распределение площадей с различной глубиной залегания УПВ

V 40

к В

U J0

g

О 1С,

к н

о „

'. ri.i'.:

правый берег

ЗЯ

- П ¿i^JZ.

— i

Llíi^

левый берег

факторы обводнения

,J i

а - утечки из подземных коммуникаций; б - фильтрация поливных вод; в - подземный приток глубинных вод; г - фильтрация атмосферных вод;

д - фильтрация воды из водонесущих каналов Рисунок 2 - Основные факторы обводнения для территории г. Явана

Для изучения влияния фактора обводнения и водонасыщения на физико -механические свойства лессовых просадочных грунтов, были проанализированы и обобщены результаты многочисленных лабораторных и полевых исследований образцов грунтов, отобранных выше и ниже УПВ. Исследованиями была установлена зависимость коэффициента относительной сжимаемости и модуля деформации £ от исходной влажности и пористости грунта, а также от диапазона давлений, в котором он определяется. Переход лессовых грунтов в водонасыщен-ное состояние, способствует снижению величины модуля деформации в 5... 10 раза, угла внутреннего трения на 30 %, а удельного сцепления в 2.. .5 раз. В слоях грунтов, залегающих выше УПВ, модуль деформации снижается в 3.. .5 раза, угол внутреннего трения на 15...20% и удельное сцепление в 1,5...2,5 раз.

Процессы подтопления и водонасыщения лессовых грунтов, также способствует изменению сейсмических свойств территорий и повышению расчетной сейсмичности участков строительства на 1...2 балла, что приводит к существенному удорожанию стоимости строительства.

Сравнение основных физико-механических характеристик лессовых грунтов, до и после их обводнения, составленного автором на основе проведенных им исследований, а также сбора и систематизации материалов исследований других проектных и изыскательских организаций, из различных регионов Республики Таджикистан, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сопоставление основных физико-механических свойств маловлажных и водонасыщмшых лессовых грунтов

№ пп Маловлажные лессовые проса-дочные грунты Водонасыщенные лессовые грунты

1 2 3

1. Условия образования. Образованы в ходе естественно-исторического процесса в результате выветривания, переноса и отложения Образованы в результате изменения (деградации) свойств маловлажных лессовых просадочных грунтов при их обводнении природными и техногенными водами. В результате поднятия УПВ происходит процесс водонасыщения 80... 100 % (0,8... 1,0//^) просадочной толщи. Площадки строительства характеризуются установившейся (стабилизированной) глубиной расположения УПВ после их обводнения.

2. 2.1 2.2 Физические свойства: Плотность твердых частиц грунта. Наблюдается в пределах />з= 2,6...2,70 т/м3. Плотность грунта. В природном состоянии значения плотности составляют р = 1,3...1,65 т/м3, редко более. При обводнении остается неизменным. При переходе грунтов в водонасыщенное состояние происходит существенное повышение значений плотности до р = 1,9...2.1 т/м3, иногда и более.

Продолжение таблицы 1

2.3

2.4

2.5

2.6

Природная влажность w. В природном состоянии являются маловлажными и значения влажности находятся в пределах >с = 4...10%, редко более.

Пористость грунта. Относятся к макропористым и характеризуются высокими показателями пористости п = 45...60 %. Значения коэфф. пористости наблюдаются в пределах е = 0,8... 1,0 и более.

Степень влажности грунта. В природном состоянии её значение обычно составляет 5V = -0...0.5.

Показатель текучести. В природном состоянии грунты находятся, в основном, в твёрдом и полутвердом состоянии <7l=0...0,2).

При обводнении грунтов значения природной влажности значительно возрастают и составляют и» = 25 ...33 %. Зачастую ев значения изменяются в 2...5 раз и более. В порах грунта существенно возрастает объём рыхлосвязанной и свободной воды.

В процессе обводнения, в основном, наблюдается постепенный подъём УПВ снизу проса-дочной толщи вверх, что приводит к незначительному изменению показателей пористости грунтов (в пределах 5...10 %). После водона-сыщения толща грунтов практически Сохраняет свою природную пористость.

Процесс водонасыщения способствует значительному повышению степени влажности и её значение, как правило, превышает > ,8.„О,95 и более.

В результате водонасыщения происходит существенное изменение их состояния и по консистенции грунты характеризуются от мякго-пластичногодо текучего (/¿ = 0,6... 1,0 ибо-лее)._

3. 3.1

3.2

3.3

3.4

Механические свойства: Сжимаемость. В природном состоянии характеризуются малой сжимаемостью. Модуль деформации грунтов находится в пределах Е= 15...25 МПа.

Сопротивляемость сдвигу. Обусловлено внутренним трением и сцеплением частиц грунта. В природном состоянии характе-рюуются относительно высокими их показателями: угол внутреннего трения <р = 25...29 градусов, удельное сцепление С = 30...55 кПа. Водопроницаемость грунтов.

Просадочные' свойства. Грунты большинства регионов относятся ко II типу по просадочности с величиной ожидаемой просадки при природном давлении = 30... 200 см.

После водонасыщения грунты переходят в категорию сильносжимаемых, показатели сжимаемости существенно ухудшаются: значения коэфф. сжимаемости увеличивается в 2...5 раз , амодуль деформации уменьшается в5...10раз и зачастую составляет Е < 5,0 МПа. При значительном повышении природной влажности значение угла внутреннего трения уменьшается незначительно (до 30 %), а удельное сцепление в среднем в 2... 5 раз.

Методика определения остается аналогичной. Водонасыщенные лессовые грунты характеризуются более высокой проницаемостью по сравнению с другими видами слабых грунтов. После обводнения лессовых толщ, грунты залегающие ниже УПВ полностью теряют проса-дочные свойства, а расположенные выше в некоторых случаях сохраняют их (в основном при дополнительных давлениях) и переходят в I тип по просадочности._

Окончание таблицы 1

1 2 3

3.5 3.6 Линейная деформируемость (в условиях статического нагру-жения при р <Яг). Расчетное спротивление грунтов. В природном состоянии их значения составляют Я < 200 кПа Аналогично другим минеральным грунтам при нагружении наблюдаются все фазы напряженно-деформированного состояния оснований. Обводнение грунтов приводит к существенному уменьшению их значения (но результатам штам-повых испытаний составляег Я2 80... 100 кПа)

По результатам проведенного анализа и исследований, были обобщены и систематизированы материалы по изучению инженерно-геологических условий образования, залегания и изменения основных физико-механических свойств СВЛГ, для различных регионов республики.

3. Особенности проектирования и устройства фундаментов на водонасыщенных грунтах, образованных обводнением лессов в условиях Таджикистана

На основании обобщения и систематизации многочисленных материалов инженерно-геологических изысканий, автором предлагаются следующие типовые схемы условий залегания СВЛГ в основании ЗС (рис. 3).

слабый йодона- гт?.,-.] ¿алечникобие ¿снщенный. слой V °*.'1 отношения

1,11,III,ГУ - типы оснований в зависимости от толщины слабого слоя Рисунок 3 - Типовые схемы залегания СВЛГ в основании ЗС

При оценке строительных площадок для устройства оснований и фундаментов, определяющую роль играет глубина залегания УПВ от поверхности и, в зависимости от этого, основания сооружений можно разделить на два основных типа: Тип 1. Основания могут быть представлены толщей СВЛГ, где УПВ находится на дневной поверхности или на небольшой глубине от неё (И < 2 м) и в качестве несущего слоя под фундаментом, будут использованы слабые водо-насыщенные лессовые грунты (рис. 4).

Тип 2. Основания могут быть представлены неоднородной толщей грунтов, где УПВ находится на глубине IVI > 3 м от дневной поверхности, а верхний слой представлен неводонасыщенным, относительно прочным грунтом и возможно его использование в качестве несущего слоя основания (рис. 5).

1 - песчаные подушки; 2 - свайные фундаменты; 3 - песчаные сваи; 4 - известковые сваи; 5 - вертикальные песчаные дрены Рисунок 4 - Типы оснований и фундаментов на слабых грунтах

б - неоднородные основания в условиях природного залегания; 7 - водопонижение;

8 - фундаменты в вытрамбованных котлованах; 9 - уплотнение или закрепление грунтов;

10 - устройство комбинированных оснований Рисунок 5 - Типы оснований и фундаментов на неоднородных грунтах

Основания, сложенные CBJIF с высоким расположением УПВ, используются очень редко. Основания, сложенные неоднородной толщей грунтов, один из наиболее типичных и широко представленных условий образования обводненных грунтов. Для решения задач эффективного проектирования и строительства ЗС на неоднородных естественных основаниях, были обобщены результаты крупномасштабных экспериментальных исследований в натурных условиях, проведенных на экспериментальных участках, условия образования и физико-механические свойства которых характерны большинству регионов республики. Площадка №1 сложена из верхнего неводонасыщенного слоя лессовидного суглинка толщиной h — 2,0.. .2,5 м (S= 0,64; 1 = 0,0.. .0,11; Е= 8,0... 11 МПа), подстилаемого слабыми водонасыщенными суглинками, толщиной более 18 м (5"г = 0,98; /, = 0,55; Е = 3,0 МПа); площадка №2 сложена неводонасыщенным слоем толщиной h = 1,5...2,0 м (5 = 0,73; = 0,26...0,40; Е= 5,5...8,0МПа), подстилаемого слабы-

ми водонасыщеиными лессовидными суглинками, толщиной более 15 м (5 = 0,98; /, = 0,79; Е= 1,3...2,7 МПа).

Исследования особенностей работы однородных (слабых) и неоднородных естественных оснований при статических испытаниях проводились в соответствии с требованиями ГОСТ одновременным загружением двух металлических жестких штампов площадью А = 0,5 м2 (с/ (= 0,8 м) каждый. Развитие послойных деформаций грунтов по глубине основания некоторых штампов измерялись специально сконструированными глубинными марками. Расчетное сопротивление однородного (слабого) основания составляет Я = 80...90 кПа, При проведении опытов № 3, 4 и 5 штампы устанавливались на различном расстоянии от УПВ (см. рис. 6), т.е. при различной относительной толщине верхнего несущего слоя ( = И / с1 = 0,5; 1,0 и 2,0; где Л = 0,4; 0,8; 1,6 м - толщина несущего слоя, <1ш = 0,8 м -диаметр штампа).

Исследованиями неоднородных оснований (рис. 6а, пл. №1) было установлено, что при возрастании нагрузки на штамп наблюдаются три характерные зоны (фазы):

зона 1 — когда 0 < р < 0,5Я, где наблюдается линейная зависимость между осадками и нагрузками, при этом, по мере увеличения относительной толщины верхнего плотного слоя осадки штампов уменьшаются;

зона II- когда 0,5Я < р 5 Я , где линейная зависимость осадки от нагрузки по мере нарастания его интенсивности нарушается и происходит рост деформаций, при относительно небольшом увеличении действующей нагрузки. Очевидно, это связано с появлением и развитием под подошвой штампов зон пластических деформаций. При относительной толщине верхнего слоя = 0,5 (опыт №3), расчетное сопротивление грунта увеличивается незначительно (Я = 120 кПа), а при ль = 1,0 и 2,0 соответственно составляет Я = 240 и 300 кПа., т. е. увеличилось в 2,7...3,3 раза (опыты № 4 и № 5).

зона III - при Я < р <. 1,3Я зависимость осадки от нагрузки также имеет линейный характер. Однако, при этом наблюдается значительный рост деформаций штампов при весьма незначительном изменении величины действующего давления, т. е. достигнуто предельное значение несущей способности неоднородного основания.

При проектировании фундаментов важным вопросом является назначение расчетного сопротивления грунтов основания Я. В настоящей работе с некоторым запасом принята, что предел пропорциональности зависимости Б-р равен расчетному сопротивлению грунта. Также были вычислены расчетные значения Я неоднородных естественных оснований по СНиП 2.02.01-83* и по предложению А.В.Пшигина (учитывающего влияние толщины верхнего прочного слоя и различной сжимаемости несущего и подстилающего слоев). Результатами сравнения было установлено следующее:

- при прочих равных условиях эксперимента, расчетные значения Я неоднородных естественных оснований по СНиП и предложению А.В.Пилягина зависят, в основном, от глубины заложения штампов и линейно возрастают по мере ее увеличения (рисунок 66, кривые I и 2);

- опытные значения Я имеют обратную зависимость от глубины заложения штампов и, также, почти линейно возрастают с увеличением относительной толщины верхнего несущего слоя (рисунок 66, кривая 3). При этом, наибольшее расхождение значения Я наблюдается при = 0,5 (почти в 4 раза), по мере увеличения ЛА расхождения уменьшаются и, при Хь = 2,0, расчетные и опытные значения Я почти совпадают (расхождение около 6 %);

- экспериментальными данными было установлено существенное влияние физико-механических свойств верхнего несущего слоя, на величину расчетного сопротивления Я неоднородного естественного основания. В опытах № 1,2 (пл.№ 2), при одинаковых условиях испытаний (с!ш = 0,8 м, Хъ = 1,0), наблюдается уменьшение значения Я в 2 раза, по сравнению с опытом №4 (пл. № 1), что можно объяснить более низкими значениями физико-механических свойств и более высокими показателями консистенции ¡1 несущего слоя основания.

Проведенные исследования свидетельствуют, что при проектировании фундаментов мелкого заложения на неоднородных естественных основаниях, подстилаемых СВЛГ, величину расчетного сопротивления грунтов оснований следует назначать по результатам полевых статических испытаний фундаментом или штампом возможно большой площади, но не менее А = 0,5м2

й

К Л,

нагрузка р, кПа шо гоо зоо чоо

4- ПО СНиП 2-ПО в.е.пилшну 3-па испытаниям

0.5 /о /.5

относительная толщина Аа деформация мм

г.о

за чо

\\) у чг * / ула шг

'-п1).нг{оп.1,г)

площадкам *од

—при а -------

-К-

—«—->■- К ------

.----!5$кПа

площадка м

Рисунок 6 - Зависимость осадки штампов от нагрузки (а), расчетного сопротивления Я от толщины несущего слоя (б) и развитие деформаций по глубине неоднородного естественного основания (в)

Сравнение замеренных осадок с расчетными 5, вычисленными методом послойного суммирования, эквивалентного слоя Н.А.Цытовича и уточненного метода послойного суммирования, с использованием компрессионных модулей

деформации грунтов, показали на хорошую сходимость результатов только при относительной толщине верхнего слоя Хк = 0,5. При Хн = 1,0...2,0 расхождения составили более 200 % для площадки № 1, а для площадки № 2 (Хи = 1,0) - 23—52%. Расчет осадок штампов методом послойного суммирования с использованием модуля деформации грунтов, определенных с учетом повышающих коэффициентов тк (по СП 50-101-2004), показывает на хорошую сходимость результатов только при ЛЛ = 2,0 (пл. №1). Расхождение расчетных и замеренных величин осадок штампов, в целом, можно объяснить изменением глубины сжимаемой зоны и значения модуля деформации неоднородных оснований под нагрузкой.

Во всех опытах, преобладающая величина деформаций происходила на глубине равной радиусу штампа, где зафиксировано около 60 % общих осадок. Независимо от величины действующего давления, сжимаемая зона распространялась на глубину, равной диаметру штампа Я(ш= с1ш где зафиксировано более 90 % всех замеренных деформаций, а на слабый подстилающий слой приходится менее 10 % их величины. В целом, замеренная сжимаемая зона Пшм оказалась в среднем в 1,5.. .2,5 раза меньше расчетной Я , вычисленной по условию СНиП 2.02.01 - 83* и, при этом, величина Н с повышением интенсивности давления растет медленнее, чем //, (рис.7а).

Испытаниями также было установлено, что при нагрузке 0 < р < 0,5К штамповый модуль деформации на 25...300% (в зависимости от физико-механических свойств и величины несущего слоя) превышает компрессионные. В диапазоне нагрузок 0,5 Я <р< Я, при2к = 0...0,5 значение штампового модуля деформации получается меньше компрессионного, а приЭЛ = 1,0...2,0, на25...90 % превышает компрессионные. При нагрузке Я< р<, 1,ЗЯ наблюдается значительное (в пределах 1,5. ..3 раза) уменьшение величины штампового модуля деформации по сравнению с компрессионным (рис.7б,в). Исследования свидетельствуют о целесообразности использования в расчетах деформации фундаментов, значения штампового модуля деформации грунтов неоднородных естественных оснований.

нагрузка р, кПа, модуль деформации Е, МПа

о

а *

О чоо

ШО 100 100

——ПЛОЩ.Н!

ч --ПЛОЩ.Н1

ч '

¡•фактич.

г-теорет.

о

О)

Э3.5

I

и

е/.*

Ш

5 Ю

Ж

/5" го

<Г)

I- 0<Р(0.5Я

358 нагрузка», кПа адг——--

з-И'Рчт

к," .35

I"

!га |/5

х> Ю

I *

Я.г

X

V

>

V \

"V N N

юо еооТзод чао

А

Рисунок 7 - Зависимость глубины сжимаемой зоны неоднородных оснований от нагрузки р (а), модуля общей деформации Е от (б) и нагрузки р (в)

На основании сравнения опытных данных с существующими аналитическими методами, автором предлагается инженерный метод расчета осадок неоднородных оснований, подстилаемых СВЛГ, который рекомендуется использовать

при Х/: > 1,0. В качестве расчетной принята схема метода послойного суммирования по СНиП, при этом, основание рассматривается как однородное и линейно деформируемое, а глубина сжимаемой толщи назначается из условия еггр = При расчете осадок элементарных слоев, следует использовать значение приведенного модуля деформации грунтов £ , определяемого по результатам полевых испытаний штампом или фрагментом фундамента площадью не менее А = 0,5 м2. Расхождение между фактическими и расчетными значениями осадок штампов, вычисленных по предлагаемому инженерному методу, составляет 5...13 %.

Расчет осадок штампов на неоднородных естественных основаниях, также проводился с использованием численных методов (программа РЬАХ18, версия 7.2). Расчеты по РЬАХ1Б выполнялись с использованием идеальнопластической модели грунта Кулона-Мора. В указанной модели пластичность связана с возникновением необратимых деформаций. Наличие в расчете пластичности определяется функцией текучести /, которая задается в виде функций напряжений и деформаций и может быть представлена как поверхность в пространстве главных напряжений.

Основной принцип упругопластического решения заключается в том, что деформации и их приращения разделяются на упругие и пластические составляющие:

е = ее+Е„, ¿ = Е,+ё/„ (1)

Для установления зависимости между приращениями напряжений и упругими деформациями применяют закон Гука. С использованием уравнений (1) закон Гука может быть представлен в следующем виде:

в = (2) где £>е - матрица жесткости упругого материала.Приращение пластических деформаций:

<3,

где X - пластический коэффициент;

•' # - функция пластического потенциала. В случае упругого поведения (/< 0) X = 0, или:

|(4) При пластическом поведении >0, или:

—Дё>0, (5)

да ^

На основе уравнений (2) и (3) зависимость между приращениями напряжений и деформациями имеет вид:

Параметр а используется в качестве переключателя: а = 0 - упругое поведение материала (4), а =1 - пластичное поведение материала (5).

Условие текучести Мора-Кулона в программе Р1ЛХ1Б определено с помощью трех функций текучести при представлении их в виде функций главных напряжений:

=^[СТ2 +о3)8т<р —ССОКф^О

/2 = ^[стз ~ст|] + ,^(0з +о,)8тф-ссо8ф50» (?)

/3 -а2] + -^(о,+о2)5Шф-ссозф<0

Кроме функций текучести определяются три функции пластического потенциала:

РЬАХШ использует полную форму модели Мора-Кулона с резким переходом от одной поверхности текучести к другой.

Учет возникновения растягивающих напряжений в программе осуществляется путем задания усечения в области растяжения. В данном случае круги Мора с отрицательными главными напряжениями являются недопустимыми. При этом вводятся три дополнительные функции текучести:

В процедуре усечения области растяжения допустимые растягивающие напряжения (а) по умолчанию принимаются равными нулю. Основные параметры модели Мора-Кулона представлены в программе РЬАХ18 модулем Юнга - Е, коэффициентом Пуассона - V, сцеплением - с, углом внутреннего трения - ц> и углом дилатансии - у/.

& = 2 К -^ ] + ^(ст2+ стз)яп V 8г = - ] + + )81П V

(8)

/4=о,-с,<0 /5=ст2-а, <О, /6=а3-а,<0

(9)

При создании расчетной схемы для определения осадок неоднородных (двухслойных) оснований, подстилаемых СВЛГ, в условиях проведенных экспериментов учитывалось, что в плане штамп и нагружаемая область основания под ним, имеют осевую симметрию. Напряжения и перемещения в основании, были определены с использованием, для верхнего более прочного слоя, компрессионного модуля деформации грунта Е] = 8 МПа, а для слабого штампового - Е2 = 3,0 МПа (пл. №1).

При выполнении расчетов была установлена зависимость конечных осадок штампов от размеров сетки треугольных конечных элементов, на которую разбивается рассчитываемая область основания. Следует отметить, что программа РЬАХ18, в зависимости от получения необходимой точности, позволяет использовать крупную, среднюю и мелкую сетку треугольных конечных элементов. Наиболее близкие к опытным результаты, были получены при использовании крупной сетки.

Проведенные комплексные натурные исследования, опыт проектирования, строительства и эксплуатации 3С, позволили определить и расширить область применения, разработать основные положения и требования по проектированию и расчету фундаментов мелкого заложения, на неоднородных естественных основаниях, подстилаемых СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

4. Особенности проектирования и устройства фундаментов на искусственных основаниях, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек

Опыт проектирования и устройства уплотненных грунтовых подушек на слабых водонасыщенных грунтах показывает, что обычно значение плотности скелета грунта в ее теле принимается р1,65...1,80 т/м3, аопыта проектирования и применения при больших значениях плотности скелета грунта {рл> 2,0 т/м3) в литературных источниках не установлено.

Для изучения этого вопроса, были проведены крупномасштабные экспериментальные исследования в натурных (полевых) условиях, в задачу которых входило: исследование технологии устройства уплотненных подушек из различных местных материалов на СВЛГ, с получением максимально возможного значения плотности скелета грунта; исследование особенностей работы искусственных оснований, подстилаемых СВЛГ, на действие статических и сейсмических нагрузок; разработка рекомендаций по устройству, проектированию и расчету искусственных оснований на СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

Исследование технологии устройства высокоуплотненных грунтовых подушек из различных материалов было проведено в полевых условиях на экспериментальной площадке, состоящей из верхнего неводонасыщенного слоя лессовидного суглинка, толщиной И = 2,0 м (5, = 0,79; /, = 0,00...0,22; Е = 8,0... 15,0 МПа) и подстилаемого слабыми водонасыщенными лессовидными суглинками, толщиной более 15 м (Я. = 0,98; /, = 0,45... 0,63; Е = 2,0.. .4,0 МПа). На экспериментальной площадке было подготовлено 8 котлованов, размерами в плане 4 х 20 м каждый. Для устройства подушек были использованы местные материалы (рису-

нок 8): гравий с примесью галечника, в котором вес частиц крупнее 10 мм составляет более 50 % (К-2...4, 8,9); гравийно-галечниковые с примесью песка (К-5); среднезернистый песок, где вес частиц крупнее 0,25 мм превышает 50% (К-7); местный грунт-тяжелый суглинок, при оптимальной влажности 1Утт— 18% (К-8).

Грунтовые подушки устраивались отсыпкой материала слоями толщиной не более 30 см, с последующим их уплотнением кулачковыми и вальцовыми катками. Значения плотности скелета грунта р^ в теле уплотненных подушек, составили для подушек: гравийно-галечниковых рл = 2,18...2,35 т/м3; песчаных -рй= 2,18...2,26 т/м3; суглинистых -рд = 1,70... 1,73 т/м3. При этом, плотность скелета грунта подстилающих подушку слоев составиларл = 1, 63... 1,73 т/м3.

Исследованиями суглинистой подушки толщиной й = 1,0 м было установлено, что в массиве природного грунта, окружающего грунтовую подушку, образуется уплотненная зона шириной 0,5...0,7 м, где плотность скелета грунта составляет рл- 1,6... 1,8 т/м3, т. е. вокруг высокоуплотненной подушки создается искусственная обойма из упрочненного грунта.

При назначении ширины уплотненных подушек на слабых грунтах, определяющую роль играет угол распределения напряжений а, которую из условия расчета на продавливание, принимают равным углу внутреннего трения материала подушки <р. По результатам лабораторных исследований, коэффициенты пористости грунтов в теле гравийно-галечникового, песчано-гравийно-галечникового и песчаного подушек составили е < 0,2. По табл. СНиП 2.02.03-83*, для указанных значений коэффициентов пористости, выбрать нормативное значение <р не представляется возможным. На основании проведенных комплексных лабораторных и полевых испытаний, а также интерполяции по указанному СНиП, значение <р можно принять для суглинистых подушек <р- а- 45°, песчаных 1р = 50° и гравийно-галечниковых <р = 55°.

Исследования особенностей работы искусственных оснований, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, на действие статических нагрузок были проведены круглыми жесткими металлическими штампами площадью А = 10000 см2 (с1ш = 113 см). Всего было проведено 8 серий испытаний, с одновременным загружением двух штампов в каждой серии (рис. 8а), расположенных на расстоянии не менее 5<1ш друг от друга, в соответствии с требованиями ГОСТ 20276-99.

Для возможности качественного и количественного сравнения результатов, также были проведены испытания при установке штампов на отметке УПВ, с измерением общих и послойных перемещений грунтов с помощью глубинных марок, установленных через каждые 0,5с/ш до глубины А = 2,0 йш (рис. 86).

Испытания показали, что практически на всех ступенях загружения зависимость между деформациями 5 и нагрузками р, имеет явно выраженный линейный характер, даже при удельной нагрузке по подошве штампов р = 450...500 кПа (рис. 2,а). При этом, расчетное сопротивление грунтов слабого слоя основания не превышает Л < 100 кПа.

Измерение послойных деформаций СВЛГ под штампами показывает, что уже при первой ступени нагрузки зона деформаций достигает глубину равную

2 с1ш (рис. 86). В диапазоне нагрузокр<, II зона развития деформаций практически не меняется и, при этом, более 80 % ее величины происходит в верхних слоях основания, в пределах глубины равной 1,0 . При возрастании нагрузки дор> Я также наблюдается увеличение глубины активной зоны и на этой же глубине зафиксировано около 75 % деформаций основания (рис.8е). Полученные данные свидетельствуют, что активная зона работы основания охватывает глубину равную 0,75... 1,0 и толщину уплотненных подушек необходимо назначать не менее йя > 0,75Ьф (где Ьф - ширина фундамента).

деформация 5, мм ю го зо чо

Рисунок 8 - Зависимость осадки от нагрузки искусственных оснований (а), эпюры послойных (б) и относительных перемещений (в) однородных (слабых) оснований

Для исследования развития осадок искусственных оснований во времени, в котл. №5 (гравийно-галечниковая подушка толщиной 0,75 м) были установлены штампы и загружены нагрузкой р = 320 кПа (рисунок 9). Основная часть деформаций штампов (более 90 %) произошла во время их загружения, а в последующие 55 суток наступила полная их стабилизация. Это можно объяснить тем, что высокоуплотненная подушка, обладая значительной распределительной способностью, позволяет существенно снизить величину вертикального сжимающего напряжения агр на кровле слабого слоя грунта (о- < Яг). В этих условиях, слабый подстилающий слой работает только в фазе уплотнения, что способствует значительному уменьшению величины деформации искусственного основания и быстрому его затуханию.

Высокую эффективность работы искусственных оснований можно объяснить особенностями технологии устройства, а также высокими значениями плот-

ности и прочности материала в теле подушек, что приводит к существенному изменению условий работы искусственных оснований. Как было установлено, вок-ругуплотненных подушек образовывается уплотненная зона, которая способствует дополнительному повышению прочности и устойчивости искусственного основания и проявлению, так называемого, плитного эффекта. В этих условиях высокоуплотненные грунтовые подушки, позволяют распределять нагрузку от фундамента на значительную площадь и существенно снизить ее величину на уровне кровли слабого слоя грунта (ргр ~ рст[)-

продолжительность г, сутки

к я а : 2 о.

О I

■е-

во во 'оо /го 1Ю ко /во ¿оа

¿г К'!

Ж-

\

Рисунок 9 - Развитие осадок штампов на искусственных основаниях во времени

При проектировании уплотненных грунтовых подушек, основными параметрами являются назначение их высоты и ширины. Традиционно, ширину уплотненной подушки Ъп определяют по формуле:

Ьп - Ьф + 2кпф (10)

где Ьф - ширина фундамента, м; Ип - высота подушки, м; а - угол распределения напряжения в теле подушки, обычно принимаемый равным а - <р = 40°.,.45°.

Исследования показывают, что при назначении ширины высокоуплотненной подушки, соответствующим подбором ее величины, можно регулировать значение давления а от сооружения на кровлю слабого слоя основания и обеспечить надежную работу искусственного основания по предельным состояниям. На основании анализа результатов комплексных испытаний искусственных оснований на статические и сейсмовзрывные воздействия, многолетнего опыта проектирования и строительства ЗС на СВЛГ, автором предлагается ширину подушки на уровне кровли слабого слоя грунта назначать из условия:

- для площадок с сейсмичностью 7 баллов - огр< 0,8Лг;

- для площадок с сейсмичностью 8 баллов - <т!р< 0,7Л; (11)

- для площадок с сейсмичностью 9 баллов - а £ 0,6Яг,

где а - напряжение на уровне кровли слабого слоя основания от сооружения, кПа;

/?2 - расчетное сопротивление грунта слабого слоя основания, кПа.

С учетом вышеизложенного, для определения ширины высокоуплотненных подушек предлагается следующая упрощенная формула:

Ъ =Ь,к (12)

п ф у '

где Ьп - ширина проектирумой подушки, м;

Ьф - ширина (диаметр) фундамента, м;

¿-коэффициент, определяемый из графиков на рисунке 10, где по оси аб-цисс отложено отношение Ял: Я} (где Кп, Яг - соответственно расчетное сопротивление материала подушки и слабого слоя основания, кПа, определяемые по результатам полевых статических испытаний фрагментом фундамента или штампом площадью не менее А = 0,5 м2). Величина коэффициента к определяется ординатой точки пересечения соответствующей кривой с горизонтальной прямой, проведенной через точку на оси абцисс, соответствующая отношению Яп : Я2.

Для назначения высоты высокоуплотненной подушки было решено уравнение (10) по отношению к йл

Ип = (Ьп-Ь,/)/218а " (13)

Высота подушек в зависимости от вида материала составит:

- для суглинистой при а- 45° - Ип = (Ьи - Ь.) / 2;

'для песчаной при а = 50° -Ип = (Ьп -ЬЛ! 2,4; (14)

- для гравийно-галечниковой при а = 55° - /*л = (Ьп -Ьф)! 2,8.

1.0 О ю го

отношение /?„: К

I-приа< Л; 2-а <0,9Н;3-а ¿0М:4-а <0,7Я;5-а <,0М;б-а <0,511

' 1 1р г г/1 'Г гр г I гр ' г

Рисунок 10 - Графики для определения ширины песчаной и гравийно - галечниковой подушки на слабых грунтах: А - для круглых, квадратных и прямоугольных фундаментов; Б - для ленточных фундаментов

Сравнение расчетных и замеренных величин деформаций показали, что осадки искусственных оснований с верхними высокоуплотненными подушками, не представляется возможным определить ни методами СНиП, с применением теории упругости, ни теории упругости для многослойных сред, вводя в расчет

модули деформации материала подушки и слабого слоя. Также, не установлена практическая возможность расчета искусственных оснований по теории нелинейно деформируемой среды.

Анализ показал, что наиболее реальным является разработка схемы расчета осадок на основании экспериментальных данных. Для практического применения автором предложен инженерный метод расчета осадок искусственных оснований с устройством высокоуплотненных подушек, который рекомендуется использовать при соотношениях модулей деформации составных слоев основания Е2> 10 (где Е1 и Е2 - соответственно, модуль деформации материала подушки и слабого слоя грунта, МПа). Расчет осадок искусственных оснований производится с использованием метода послойного суммирования, в соответствии с основными положениями СНиП 2.02.01—83* и СП 50-101-2004. Глубина сжимаемой толщи грунтов назначается из условия агр = 0,2<т^. В расчете осадок элементарных слоев, необходимо использовать значение приведенного модуля деформации грунтов, значение которого следует определять по результатам статических испытаний фрагментом фундамента или штампом, площадью не менее А = 0,5 м2. Расхождения между опытными и расчетными значениями осадок штампов, по предлагаемому инженерному методу, составляют 5... 12 %.

Осадки искусственных оснований, также были вычислены с использованием численных методов (программа Р1АХ1Б, версия 7.2). В условиях проведенных экспериментов учитывалось, что в плане штамп и нагружаемая область основания под ним, имеют осевую симметрию. Вначале, напряжения и перемещения в основании определялись с использованием, для верхнего более прочного слоя значений модуля деформации грунта = 30... 100 МПа и более, а для слабого слоя штампового модуля Е} = 3,0 МПа. При указанных данных программа не сработала, т. е. происходил разрыв сетки треугольных конечных элементов. В дальнейших расчетах, искусственное основание было заменено на однородное, с приведенными модулями деформации грунтов Епр = 25...80 МПа, определенных по результатам штамповых испытаний. Сравнение результатов показал возможность и эффективность применения программы Р1АХ1Б для расчета осадок искусственных оснований.

Проведенные натурные исследования, многолетний опыт проектирования, строительства и эксплуатации ЗС на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных подушек, подстилаемых СВЛГ, позволили расширить область применения, разработать основные положения и требования по проектированию и расчету фундаментов мелкого заложения на указанных основаниях, в сейсмических условиях Республики Таджикистан.

5. Методы глубинного улучшения оснований, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами

В практике строительства ЗС на слабых грунтах широко применяются бу-ронабивные и набивные сваи различной конструкции, воспринимающие большие сосредоточенные нагрузки. Считается, что свайные фундаменты в слабых грун-

тах позволяют предохранить здания от разрушения при сейсмических воздействиях. Тем не менее, опыт проектирования и строительства в республике Таджикистан свидетельствует об отсутствии материалов по исследованию и использованию каких либо конструкций свай в СВЛГ. Анализ существующих способов устройства свай в слабых водонасыщенных грунтах свидетельствует, что в условиях республики, более эффективным является применение способа устройства самоформирующихся набивных свай (СНС) и песчаных дрен (ПД), который предложен сотрудниками НИИОСП (рисунок 11). В этом способе совмещается процесс образования скважины и ее заполнение материалом (бетон или песок). На поверхность основания устанавливается приемный бункер 1 с отверстием на дне, соответствующим диаметру будущей сваи или песчаной дрены, в который устанавливается наконечник 2, изготовленный из металла, железобетона и других материалов. Наконечник прикрепляется к погружающей штанге 3 (обычно полая труба или буровая штанга), верхний конец которой закрепляется с оголовником погружающего механизма 4 (дизель-молот, вибромолот, вибропогружатель и др.). Затем в приемный бункер подается подвижная бетонная смесь или насыщенный водой песок и производится погружение наконечника в слабый грунт 5. При этом бетон или песок самотеком поступает в образовавшуюся полость, предохраняя тем самым обрушение стенок скважины. В случае необходимости к наконечнику можно приварить металлический каркас или опустить в скважину с бетоном готовое его звено. Вследствие небольшой площади боковой поверхности наконечника, соприкасающегося с грунтом, силы трения о грунт при их погружении весьма невелики, что позволяет использовать легкое и мобильное погружающее оборудование при минимальных затратах. Указанная технология универсальна, позволяет изготавливать сваи и дрены практически любого диаметра и формы поперечного сечения. При ее применении не требуется использования специального оборудования и исключается потребность в обсадных трубах, что является очень важным фактором для условий республики Таджикистан. . .

® И я

а - установка приемного бункера; б - установка извлекаемого наконечника и погружающей штанги с вибропогружателем; в - погружение наконечника; г - извлечение погружающей штанги с наконечником; д - готовая СНС или песчаная дрена Рисунок 11 - Технологическая схема устройства СНС и песчаной дрены

С целью выявления эффективности применения СНС и ПД в СВЛГ, были проведены широкомасштабные экспериментальные исследования, в задачу которых входили: разработка конструкций теряемых (оставляемых в грунте) и инвентарных (извлекаемых из грунта) наконечников для устройства СНС и ПД различных размеров; отработка технологии изготовления СНС и ПД в полевых условиях; исследование особенностей работы СНС при статических и динамических (сейсмовзрывных) воздействиях; изучение закономерностей уплотнения СВЛГ вертикальными песчаными дренами; разработка технических условий на изготовление СНС и ПД.

Технология устройства СНС была отработана с использованием инвентарного самораскрывающегося круглого наконечника диаметром <1 = 400 мм (рисунок 12б) и вибратора типа "ВС". Перед погружением наконечника в грунт, в приемный бункер подавался бетон класса В15, с осадкой конуса 18... 20 см и производилось погружение наконечника в грунт, с фиксацией времени. Набивные сваи устраивались на глубину 6,0.. .8,0 м, в среднем за 13.. .20 минут, а для их извлечения из толщи грунтов потребовалось 7.. .9 минут. При этом, бетонная смесь непрерывно самотеком поступала в образовавшуюся полость и уплотнялась вибрацией. Погрузить теряемый наконечник, диаметром с1 = 600 мм, с помощью указанного вибратора не представилось возможным. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что использование более мощных вибропогружателей или вибромолотов (серийно выпускаемых промышленностью), позволит погружать в водонасыщен-ные грунты, наконечники диаметром до с1= 1000 мм и на глубину более 20 м.

Фзсю-чоо

в)

/ - напрабляющий стакан, г-ре/Гра ксесгкости; 3- корпус, 1- лопасти.

а,в - теряемый наконечник, б- извлекаемый наконечник Рисунок 12 - Конструкции наконечников для изготовления свай и дрен

Учитывая вышеизложенное, были проведены исследования по отработке технологии устройства СНС, с применением конструкции теряемого наконечника диаметром с! = 600 мм (рис.12я,е), с использованием сваебойного агрегата.

Параметры сваебойной установки не позволяли использовать приемный бункеру поэтому, при устройстве свай, бетонная смесь подавалась автобетоносмесителем. Контроль качества бетона в теле свай, был произведен испытаниями образцов на одноосное сжатие, по результатам которых, прочность бетона составила ^ = 15,5.. .17,0 МПа. Кроме того, было произведено разбуривание тела некоторых свай и отобраны керны через каждые 1,0 м по всей их длине. Испытаниями образцов, средняя прочность бетона составила Яь = 15,0 МПа.

После отработки технологии устройства, были проведены предварительные исследования особенностей работы СНС на действие вертикальных сжимающих и горизонтальных статических нагрузок (рисунок 13а, б). Несущая способность СНС на вертикальные сжимающие нагрузки не превышает = 80... 100 кН и использование их по схеме висячих свай неэффективно. С целью выбора расчетной схемы, были вычислены значения несущей способности свай по СНиП 2.02.03-85 и СП 50-102-2003. При допущении условия работы свай как забивных (коэффициенты условий работы грунтов ус = у ~ 1,0), несущая способность сваи длиной Ьа= 8 м составила = 220 кН, т.е. более чем в 2 раза превышает опытные данные. Если, учитывая особенности технологии устройства свай (небольшая площадь соприкосновения наконечника с окружающим грунтом, отсутствие погружаемой обсадной трубы, условия бетонирования ствола сваи), коэффициенты условия работы грунта принять ус = 0,8 и у = 0,6, то несущая способность свай составит /^=130 кН, что более соответствует экспериментальным данным. Расхождения расчетных и экспериментальных данных, в целом, можно объяснить высокими значениями показателя текучести грунтов основания 1/, отсутствием достаточно обоснованных значений сопротивления грунтов по острию К и боковой поверхности свай/ а также коэффициентов условий работы грунтов по острию уя и боковой поверхности у

а) ,-,, . ...

ч

[ Зм

я Ю

ю К <5-л? -е-

о?

« 6}

нагрузка р, кН гоо о

\\ У//,

¡Л*

\\

А

С-чДД

\е-5

1 - опытная свая; 2 - гидродомкрат; 1 - опытные сваи; 2 - гидродомкрат;

3 - опорные блоки; 4 - загрузочная рама; 3 - упорная балка; 4 - упорная 5 - тарированные ж/б блоки пластина

Рисунок 13 - Схемы проведения и результат испытания СНС на вертикальную сжимающую (а) и горизонтальную (б) статические нагрузки

Испытания СНС на горизонтальные статические нагрузки показали, что наличие более прочного слоя, даже небольшой толщины, в природных условиях его залегания, способствует повышению сопротивляемости оголовка свай горизонтальным нагрузкам почти в 2 раза (рис.136). Это свидетельствует об эффективности применения в сейсмически активных районах республики, с целью повышения сейсмоустойчивости свайных фундаментов, искусственных методов улучшения свойств слабых грунтов в верхней их части, в т. ч., устройства над их оголовками уплотненных грунтовых подушек и др.

В полевых условиях также была отработана технология устройства ПД, которые устраивались с помощью инвентарных самораскрывающихся круглых наконечников диаметром с/ = 300 и 400 мм и вибропогружателя, а в качестве заполнителя тела дрены, был использован карьерный крупнозернистый промытый песок. Для погружения инвентарных наконечников на глубину 6,0 м потребовалось в среднем 12... 15 минут.

Исследования закономерностей уплотнения СВЛГ вертикальными ПД, были проведены на экспериментальной площадке, сложенной слабыми водонасьпцен-ными лессовидными суглинками толщиной более 15 м (5. = 0,98; е = 0,875;

= 0,79; Е = 1,3...2,7 МПа). Дополнительно были проведены статические испытания СВЛГ, с помощью круглых жестких штампов площадью А = 10000 см2 (¿, = 1,13 м), с установкой их непосредственно на отметке УПВ. По результатам испытаний, значение расчетного сопротивления грунтов составило Л = 80.. .90 кПа, а модуля деформации - Е = 2,0 ... 2,7 МПа.

Схема проведения экспериментальных исследований приведены на рисунке 14. Огрузка участков производилась ступенями по р = 18 кПа, с выдержкой каждой ступени до условной стабилизации деформаций, принятой равным 1,0 мм/сут. Основная часть деформаций происходила в первые 5...6 дней после приложения каждой ступени нагрузки (рисунок 15). При этом, на глубине - 3,0 м, было зафиксировано более 70 % общей осадки грунтовой толщи, а на глубине -1,5 м более 50 % их величины. Глубинная марка, расположенная на отметке - 6,0 м, практически не перемещалась, что, очевидно, связано с недостаточной величиной действующего давления и увеличением структурной прочность сжатия грунтов по глубине.

В целом, проведенными исследованиями была установлена эффективность применения вертикальных ПД для уплотнения СВЛГ, даже при небольших величинах пригружающего давления. Наибольший эффект уплотнения установлен при расположении дрен по сетке 2,0 х 2,0 м. Хороший эффект, также получен при устройстве дрен по сетке 3,0 х 3,0 м. По результатам испытаний штампами площадью А = 1,0 м2, значения расчетного сопротивления грунтов уплотненных участков повысились до 7? = 200...250 кПа, что в 2,2...2,8 раза превышает их значения до уплотнения. Значения модуля деформации уплотненных грунтов увеличились до 2,4 раза, а удельного сцепления, по результатам статического зондирования, в 1,6...2,0 раза.

При испытании на сейсмические нагрузки (имитируемых сейсмовзрывны-ми воздействиями), дополнительные деформации толщи СВЛГ составили 30 % | от общей осадки при статическом нагружении (рис.15) и, очевидно, связаны с ; повышением избыточного гидродинамического давления в поровой воде, которое способствует ускорению и дополнительному их отжатию в тело ПД.

Расчеты вертикальных песчаных дрен, основываются на использовании теории фильтрационной консолидации и, при этом, рассматривается уплотнение грунта вокруг одной дрены. Вертикальные ПД располагаются в плане по квадратной или триангулярной сетке. Такое расположение дает квадратную или гексагональную зону влияния дрены, что не позволяет рассматривать плоскую задачу консолидации осесимметричной. Для упрощения задачи, квадратную или гексагональную зону влияния, заменяют круговой с эквивалентными диаметрами.

По характеру работы дрены устраиваются как совершенные и несовершенные (рисунок 16). В условиях республики, наиболее широкое применение могут найти конструкции несовершенных дрен. В технической литературе, при расчете консолидации основания в случае несовершенной ("висячей") дрены и наличия дренирующей подушки, приводится приближенное его решение. При этом, про-

цесс консолидации является комбинированным и соответствует осесимметрич-ной задаче теории консолидации грунта. Принимается, что в «подаренной» области (рис.166), в слое толщиной 2Н-1 имеет место только одномерная консолидация (вертикальная фильтрация), причем, в пределах диаметра с/,, консолидируемый слой имеет толщину 2Н-1, а за этими пределами - 2Я. Принимается также, что в пределах длины дрены I («дренной» области), имеет место наложение плоской осесимметричной и одномерной задач теории консолидации.

продолжительность /, сутки

[ЩШШ

а

С ,,

М 71

м

V! Н

ЖтМШЖ

ш

ш

шшшшшш

ш

Рисунок 15 - Развитие деформаций экспериментальных участков при статическом и сейсмовзрывном воздействиях

л)

1111111 *

! ~1г ~~~

1 'V

а>

Л

I I I 1 I 1 I

1 - песчаная лодушка; 2 - песчаная дрена; 3 - естественный песчаный грунт Рисунок 16 - Расчетные схемы совершенной (а) и несовершенной (б) дрены

В «дренной» области, в пределах слоя толщиной /, при мгновенно приложенной нагрузке д, степень консолидации при вертикальной фильтрации выражается формулой:

4 1 ^

2 Н

(2п + \)

1-соз(2п + 1)я-

2 Я

ехр

(15)

где Т=-

Н2

Л

(16)

Степень консолидации грунта «поддренной» области, в слое толщиной Ш-1 за пределами конца дрены (в зоне с1е- с^), определяется формулой:

ехр

2 Н

-(2п +1)2-—

(17)

где *= Я^'

(18)

Степень консолидации грунта «поддренной» области, в слое толщиной 2Н~! в пределах конца дрены (в зоне с/Д определяется формулой:

1

•ехр

где Г„

_ ^»(2 »-)) 2Н-1

(19)

(20)

Степень консолидации грунта «дренной» области:

. : (21) а средняя степень консолидации фунта всей «поддренной» области (2Н - I), по всей площади влияния (с?) равна:

Оу(2Н-1) г 2,

(22)

где £?„(2н-1,,!.-<!„) определяется по формуле (17), &(2я-/,</„) определяется по формуле (19).

Степень консолидации всего объема уплотняемого грунта при мгновенном приложении нагрузки может быть выражена в виде формулы:

(23)

На основании полученных решений, в Пособии к СНиП 2.02.01 -83 * и Справочнике проектировщика (М., НИИОСП, 1985), приводятся методы расчета консолидации водонасыщенных грунтов, уплотняемых с помощью вертикальных песчаных дрен. С учетом этого, в условиях проведенных исследований были вычислены деформации СВЛГ для экспериментальной площадки № 2 (при расположении дрен по сетке 2 х 2 м). Результами сравнения расчетных и опытных значений деформаций, расхождение не превышает 16...20%. Следовательно, приведенные методы, могут быть рекомендованы для расчета консолидации оснований с использованием ПД, сложенных СВЛГ, в условиях Республики Таджикистан.

6. Влияние сейсмических воздействий на работу естественных и искусственных оснований, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами, образованными обводнением лессов

Опыт возведения и эксплуатации ЗС на слабых водонасыщенных грунтах в сейсмических районах, макросейсмические обследования последствий землетрясений в районах распространения этих грунтов позволяет отметить, в определенных условиях, снижение прочностных и деформационных характеристик грунтов при сейсмических воздействиях и свидетельствует о необходимости их учета при расчете оснований.

Исследование влияния динамических воздействий, имитирующих сейсмические, на прочностные и деформационные характеристики слабых водонасыщенных грунтов, в т, ч. водонасыщенных лессовых, проводились в лабораторных и полевых условиях в НИИОСП им. Н.М.Герсеванова и его Среднеазиатском филиале (САФНИИОСП), НИС Гидропроекта, МИСИ и др. организациях. Анализ проведенных исследований свидетельствует, что при сейсмических (динамических) воздействиях модуль деформации уменьшается на 30...60 %, угол внутреннего трения на 25...30 %, удельное сцепление на 10...17 %, по сравнению с их значениями при статических испытаниях.

В натурных условиях основным методом моделирования сейсмических воздействий является метод сейсмовзрывных воздействий. В САФНИИОСП разработана и апробирована методика проведения этих испытаний (схема расположения взрывных скважин, их глубина, количество ВВ), а также изготовлено специальное устройство замедленного взрывания зарядов ВВ.

Учитывая большую актуальность проблемы для республики, были проведены комплексные лабораторные и полевые экспериментальные исследования

влияния сейсмических воздействий на изменение деформационных и прочностных характеристик СВЛГ.

Изменения свойств СВЛГ в лабораторных условиях, были изучены на динамическом компрессионно-сдвиговом приборе, опытный образец которого был изготовлен в САФНИИОСП. Прибор позволяет создавать знакопеременные динамические нагрузки (перепад напряжения) в вертикальном и горизонтальном направлениях, величина которых может составлять 10...50 % от статических. Испытания показали, что при перепаде динамических воздействий п - 10,20 и 30 % от статических, происходит снижение значения угла внутреннего трения на 2, 6 и 8° соответственно. Зависимость изменения удельного сцепления С, от перепадов динамического воздействия п, имеет более сложный характер. Анализ осред-ненных значений удельного сцепления грунта, свидетельствует о незначительном уменьшении его значения (в пределах 12... 15 %) при динамических воздействиях. В целом, проведенные лабораторные испытания позволяют оценивать полученные результаты исследований только с качественной стороны и не представляют возможности разработать соответствующие предложения по их учету в расчетах оснований. В дальнейшем, исследования необходимо проводить с использованием более совершенных приборов и в широком диапазоне параметров динамических воздействий и свойств грунтов.

Полевые исследования включали испытание однородных (слабых) и искусственных оснований статическими нагрузками и сейсмовзрывными воздействиями. Исследования закономерностей деформаций однородных оснований, сложенных СВЛГ, статическими нагрузками, были проведены загружением круглых жестких штампов площадью А = 1,0 м1 (<1ш = 1.13 м), в соответствии с требованиями ГОСТ, с измерением послойных перемещений фунтов по глубине основания под штампами.

По результатам испытаний, расчетное сопротивление СВЛГ не превышает /?г= 100 кПа (рис.17а) и, при этом, значительная часть деформаций (более 90 %), происходит в верхних слоях основания, в пределах глубины равной 0,75... 1,0 с1т (рис. 176). Во время проведения статических испытаний №2 произошло естественное землетрясение интенсивностью 7 баллов и продолжительностью около 2 минут. При этом, среднее давление по подошве штампов составляло около 0,9Дг (/?г - расчетное сопротивление слабого слоя). При этом, замеренные приращения осадки штампов составили 27 % от общей величины, зафиксированных при статических испытаниях. Дополнительные деформации грунтов при землетрясении, также распространялись на глубину 1,0 с1ш и более 80 % их величины произошли на глубине, равной 0,5с/п (рис.176). Сейсмическое воздействие способствовало существенному снижению модуля деформации СВЛГ.

При испытании однородных (слабых) оснований сейсмовзрывными воздействиями, нагрузка на штамп составила 80 кПа (0,8йг), т. е. на 20 % меньше несущей способности, определенной по результатам статических испытаний. Имитация сейсмического воздействия была осуществлена с помощью короткозамедлен-ных камуфлетных взрывов зарядов ВВ (рис. 18а), устанавливаемых в специаль-

ные взрывные скважины (рис. 19а). При сейсмовзрывных воздействиях интенсивностью 9 баллов, осадки штампов непрерывно возрастали и произошла потеря их устойчивости (рис.196).

Р)

0

V

3

/г

н

го

гч

2 га

сэ Й

к

X м

я 14 м

2 о. м>

о -е-

и ч 5!

И

го Vо ео

нагрузка р, кПа

вО 100 НО 140 /6 о

ОП. 1.2

\

т

-0.1Д!

->.од -15Д Ш

I

Оп-/

<0

0

а: «и

СЗ X ¡.с Л

ид

р

и лад

■Ю Л»

—~

и го <д

---/».»г

---/>Ч7

-Р'ОО

деформация 5, мм и ¡о

о

иг

Ш ил Р

I - р = 87 кПало землетрясения 2- то же, после

Рисунок 17 - Зависимость деформации штампа от нагрузки (а), эпюры развития послойных перемещений по глубине основания (б)

©

опытнне штампа сей смопоиемниги

опытные штампы I сеисмоприемники 4 '

| 5« | | _^

а - испытания однородных (слабых) оснований и СНС б- испытания искусственных оснований с высокоуплотненными подушками Рисунок 18 - Схемы расположения взрывных скважин и разрез экспериментальных участков при сейсмовзрывных воздействиях

Исследования искусственных оснований были проведены на участке, где была устроена высокоуплотненная гравийно-галечниковая подушка толщиной йя= 0,75 м. Штампы площадью А = 1,0 мг, были загружены по методике статических испытаний, до давления по подошве р = 480 кПа (рис. 186). Максимальный прирост осадок штампов, при сейсмических воздействиях интенсивностью 9 баллов, составил всего 7 % от общей осадки штампов при статических испытаниях (рис. 196), что свидетельствует о высоком эффекте устройства высокоуплотненных подушек из гравийно - галечникового и песчаного материала на СВЛГ, как метода повышения несущей способности (более 4-х раз) и сейсмоустойчивости искусственных оснований, а также значительного снижения их деформируемости.

а)

1 труда д 50пм «г

скойхецнЛ хх

1 1 1 • 1 - 1 ■ 1 Ф г20 мм к а сз 1 о заряд вв ч

контейнер <?ля

ев Фггом»

нагрузка р, кПа год зоо чао .$оо

\ ; 1 1

\ 1 74-

1 УПЦ 1

т

1

1

|

1

6) нагрузка р, кН ¡о /оо

2 со

3 о.

о <

■о- .

т М

\ !

\! £

у

V

1

Рисунок 19 - Конструкция взрывной скважины (а), развитие осадки штампов (б) и СНС (в) при статическом и сейсмовзрывном воздействиях

При проектировании высокоуплотненной грунтовой подушки, основными его параметрами являются толщина и ширина подошвы на уровне кровли слабого слоя грунта. Проведенными исследованиями было установлено, что в зависимости от интенсивности сейсмических (сейсмовзрывных) воздействий, происходит снижение несущей способности оснований, сложенных СВЛГ, в пределах 10.. .30 %. Следовательно, при назначении ширины подошвы высокоуплотненной грунтовой подушки, необходимо исходить из условия, чтобы величина давления от сооружения а на кровлю слабого слоя составляла:

- при интенсивности сейсмических воздействий 7 баллов - а < 0,8Яг;

- при интенсивности сейсмических воздействий 8 баллов - а <, 0,7

- при интенсивности сейсмических воздействий 9 баллов - а < 0,6Яг. где Кг - расчетное сопротивление слабого слоя грунта основания, кПа, определяемая по результатам статических испытаний фрагментом фундамента или штампом площадью не менее А = 0,5 м* • ■

При указанных величинах давления а , слабый слой грунта преимущественно будет работать в фазе уплотнения как при статических, так и при сейсмических воздействиях, что позволит обеспечить надежную работу искусственных оснований по соответствующим предельным состояниям.

Снижение несущей способности фундаментов мелкого заложения при сейсмических нагрузках, также можно определить через коэффициент т, который является умножающей поправкой к статическим расчетам фундаментов, т. е. Ял = тК {Ял- расчетное сопротивление основания при сейсмических воздействиях, Я - то же, при статическом нагружении). По результатам испытаний, значение коэффициента т для искусственных оснований рекомендуется принимать:

- для районов с сейсмичностью 7 баллов - 0,90;

- для районов с сейсмичностью 8 баллов - 0,80;

- для районов с сейсмичностью 9 баллов - 0,70. ■,...,,-,

Испытание висячих СНС на сейсмовзрывное воздействие, было,проведено

при максимальной статической нагрузке на сваю Ы= 80 кН, которая составляла 80 % от статических испытаний. Дополнительное приращение осадки опытной сваи, составило примерно 50% от осадки при статическом нагружении (рис.19в). Проведенными динамическими испытаниями, как и при статических испытаниях, установлена неэффективность применения указанных свай по схеме висячих. В дальнейшем, целесообразно проведение исследования особенностей работы СНС в СВЛГ, при условии опирания нижнего конца свай на малосжимаемые грунты (по схеме сваи-стойки), при статических и сейсмовзрывных воздействиях.

Заключение

Основные выводы по диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Процессы подтопления лессовых грунтов на территории Республики Таджикистан, приводят к существенному изменению физико-механических свойств грунтов и, при этом, основание ЗС может характеризоваться как новый тип, т. е. основание сложенное слабыми и сильносжимаемыми водонасыщенными грунтами, образованными природными и техногенными факторами обводнения лессовых пород. Установлены районы распространения этих техногенных новообразований, которые занимают более 30 % территории Республики Таджикистан и наблюдается устойчивая тенденция к их увеличению.

2. Строительство промышленных и гражданских ЗС в сейсмически активных районах республики на основаниях, сложенных СВЛГ, имеет специфические особенности на всех этапах строительства - изыскании, проектировании, технологии и организации работ, эксплуатации зданий и сооружений и др. Отсутствие опыта исследований, проектирования и строительства, а также сложное экономическое положение страны, дефицит и высокая стоимость основных строительных материалов, приводят к значительному возрастанию стоимости устройства нулевого цикла ЗС (составляет 25... 30 %, иногда и более, от общей стоимости здания).

3. По результатам лабораторных и полевых исследований, установлены эмпирические зависимости, характеризующие изменение физико-механических и прочностных характеристик лессовых грунтов при их обводнении, до полного водонасыщения. Обводнение и водонасыщение лессовых пород, приводит к значительному снижению расчетного сопротивления грунтов (Я < 100 кПа), уменьшению значения модуля деформации в 5...10 раз, удельного сцепления в 2...5 раз и угла внутреннего трения до 30 %. В грунтах, расположенных выше УПВ, сни-

жение значения модуля деформации составляет 3...5 раз, удельного сцепления в 1,5...2,5 раза, угла внутреннего трения на 15...20 %.

4. Установлены типовые схемы условий залегания СВЛГ в основании ЗС, образованных природными и техногенными факторами обводнения и, на ее основе, разработана и предложена для практического применения классификация типов искусственных оснований и возможные типы фундаментов на них.

5. Натурными исследованиями установлено, что несущая способность и деформируемость неоднородных естественных оснований, при прочих равных условиях, в основном, зависит от относительной толщины Лн и физико-механических свойств верхнего, более прочного несущего слоя: при ДА < 1,0 несущая способность неоднородного основания определяется несущей способностью слабого подстилающего слоя, при Хн = 1,0...2,0 основания необходимо рассматривать как двухслойные, со слабым подстилающим слоем, а при Хн > 2,0 основание можно рассматривать как однородное.

6. Выполненные комплексные исследования фундаментов мелкого заложения на различных типах основания, позволили оценить глубину активной зоны, достоверность использования при расчетах осадок модуля деформации, полученного в лабораторных и полевых условиях и, на их основе, предложить инженерный метод расчета осадок фундаментов на неоднородных естественных основаниях, подстилаемых СВЛГ, в т. ч., с использованием численных методов (программа РЬАХ18, версия 7.2).

7. Устройство высокоуплотненных грунтовых подушек на СВЛГ и неоднородных естественных основаниях, подстилаемых ими, является эффективным искусственным методом подготовки оснований, который позволяет значительно повысить несущую способность (до 4...5 раз) и снизить деформируемость (более 5 раз) искусственных оснований, при статических и сейсмических воздействиях. Простота технологии устройства, наличие достаточного объема природного кондиционного материала (песка, гравийно-галечникового материала) и невысокая их стоимость, делает этот метод одним из наиболее экономичных в условиях Республики Таджикистан.

8. Комплексные полевые исследования искусственных оснований с устройством уплотненных грунтовых подушек, позволили оценить оптимальную их толщину, в зависимости от вида материала, величины давления по подошве малозаг-лубленных фундаментов и на кровле слабого подстилающего слоя, предложить инженерный метод расчета их осадок, в т. ч. с использованием численных методов (программа РЬАХ13, версия 7.2).

9. На основе комплексных натурных экспериментальных исследований, предложены инженерные методы учета влияния сейсмических воздействий на особенности работы искусственных оснований, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек и даны рекомендации по их применению.

10. Разработаны конструкции инвентарных и теряемых наконечников, апробирована технология устройства СНС и ПД в натурных условиях, разработаны технические условия на их изготовление. Установлены основные причины суще-

ственного расхождения опытных и расчетных значений несущей способности СНС, вычисленных по нормативным документам.

11. На основе экспериментального изучения процесса фильтрации в натурных условиях, при уплотнении толщи слабых водонасыщенных лессовых грунтов с помощью вертикальных песчаных дрен и пригрузки территории, предложена методика расчета консолидации основания, сложенного СВЛГ, которая дает результаты, достаточно близко совпадающие с наблюдаемыми в опытах (расхождение составляет 16...20 %).

12. Разработаны конкретные рекомендации по проектированию фундаментов мелкого заложения на естественном и искусственном основаниях, сложенных СВЛГ, образованных в результате воздействия природных и техногенных факторов обводнения на лессовые породы в условиях Республики Таджикистан.

Оценка полноты решений поставленных задач. Согласно поставленным задачам исследований, изучены и систематизированы инженерно-геологические условия залегания, особенности образования и распространение СВЛГ на территории республики Таджикистан. Определены основные факторы обводнения и особенности строительства ЗС на указанных грунтах. Выявлены типовые схемы залегания СВЛГ, разработана классификация типов оснований и видов фундаментов для различных условий их залегания. Изучены особенности изменения физико-механических свойств лессовых просадочных грунтов при обводнении и водонасыщении в лабораторных и полевых условиях. Составлены таблицы основных физико-механических свойств СВЛГ для различных регионов республики Таджикистан. Обобщен опыт проектирования и строительства, предложены для дальнейшего исследования эффективные методы подготовки оснований и устройства фундаментов на естественных и искусственных основаниях, сложенных СВЛГ.

Исследована эффективность применения в качестве основания СВЛГ и неоднородных грунтов (с верхним неводонасыщенным и нижним слабым подстилающим слоем) в природных условиях их залегания. Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния системы "фундамент - неводонасыщенный грунт-слабый водонасыщенный грунт" аналитическими и численными методами, проведено сравнение с результатами штамповых испытаний в натурных условиях.

Изучены технология устройства и особенности работы искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек из различных местных материалов на СВЛГ и неоднородных основаниях при статических и сейсмических воздействиях. Проведена оценка напряженно-деформированного состояния системы "фундамент - высокоуплотненная подушка - слабое основание" аналитическими и численными методами, проведено сравнение с результатами штамповых испытаний в натурных условиях.

Исследованы технология изготовления и особенности работы малоармиро-ванных СНС в качестве фундаментов и песчаных дрен как метода уплотнения в СВЛГ. Разработаны конструкции инвентарных и теряемых наконечников для устройства СНС и песчаных дрен, технические условия на их изготовление, мето-

дика расчета консолидации толщи СВЛГ при уплотнении территории пригрузкой и устройством вертикальных песчаных дрен. Изучены особенности работы однородных и искусственных оснований, сложенных СВЛГ, при сейсмических нагрузках (имитируемых сейсмовзрывными воздействиями).

Результаты исследования доведены до региональных и ведомственных рекомендаций и внедрены в практику проектирования и строительного производства, что подтверждает обоснованность разработанной аналитической базы и полноту решения постановленных перед работой задач.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученная методика проектирования и расчета эффективных способов устройства оснований и фундаментов на СВЛГ, неоднородных естественных и искусственных основаниях, подстилаемых слабыми грунтами, внедрена в виде региональных и ведомственных рекомендаций, руководств и инструкций в системе Госстроя, Минстроя, Минсельстроя и др. ведомств и организаций, может быть использована инженерно-техническими работниками строительной отрасли, при решении геотехнических вопросов градостроительства в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях Республики Таджикистан, а также в ВУЗах, при преподавании геотехнических дисциплин.

Исходными данными по использованию результатов исследования, являются существующие методы расчета, базирующиеся на действующих нормативно-технических документах, а также полученные автором данные об инженерно-геологических условиях строительных площадок Таджикистана и конструктивных особенностях проектируемых и возводимых ЗС.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Прогнозный экономический эффект от внедрения результатов выполненной работы составил в системе Госстроя, Минстроя й Минсельстроя РТ более 5 млн. сомони. За последние 5 лет, внедрение результатов исследования позволили получить экономический эффект в размере 1,5 млн. Сомони, о чем свидетельствует акт внедрения Агентства по строительству и архитектуре при правительстве РТ.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. По результатам проведенных исследований разработаны новые научно-практические рекомендации по проектированию, расчету и устройству эффективных методов подготовки оснований и фундаментов на СВЛГ, которые значительно отличаются от ранее используемых, позволяют за счет учета особенностей их работы, обеспечить надежность и, следовательно, эффективность их использования в практике промышленного и гражданского строительства.

Впервые для Центрально-Азиатского региона, полевыми экспериментально-теоретическими исследованиями были изучены закономерности напряженно-деформированного состояния системы "фундамент - слабое, неоднородное или искусственное основание", сложенное слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами, при статических и сейсмических (имитируемых сейсмовзрывными воздействиями) нагрузках, определены эффективность и область их применения.

Существенная новизна и эффективность разработанных технологических и технических решений в рамках настоящей работы, подтверждена высокой эффективностью результатов крупномасштабного внедрения разработанных геотехнологий, превосходящих по своим показателям существующие отечественные и зарубежные аналоги, что подтверждено актами внедрения, технико-экономическими расчетами, региональными нормами и другими официальными документами.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Коновалов П.А., Усманов P.A. Исследование деформаций сильносжимае-мых оснований гибких штампов и резервуаров П Тр. Y11 Дунайско-Европейской конф. по механике грунтов и фундаментостроению. - Кишинев, 1983.- С.107-112.

2. Усманов P.A., Богачко В.А. Исследование работы искусственных оснований на лессовых водонасыщенных грунтах // Тр. респ. научн.-техн. конференции молодых ученых и специалстов, посвящ. 60-летию образ. ТаджССР и КП Таджикистана. - Душанбе, 1984. - С. 42.

3. Коновалов П.А., Терехова JI.B., Мусаэлян A.A., Усманов P.A. и др. Рекомендации по устройству искусственных оснований на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах (на примере Таджикской ССР) // САФ НИИОСП - Душанбе, 1984.-22С.

4. Зехниев Ф.Ф., Усманов P.A. К вопросу об уплотнении лессовых водонасыщенных грунтов песчаными дренами. П Тезисы докл. Респ. научно-пракгическ. конф. молодых учен, и спец., посвящ. 60-летию образ. Ленинского комсомола Таджикистана.-Душанбе, 1985,-С.97.

5. Мусаэлян A.A., Усманов P.A., Вильфанд А.Г. и др. Исследование работы искусственных оснований на водонасыщенных лессовых грунтах при динамических воздействиях // Сб. докл. У1 Всесоюзной конф. «Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений». - Нарва, 1985. - С. 253-256.

6. Усманов P.A., Богачко В.А., Вильфанд А.Г. Устройство искусственных оснований на водонасыщенных лессовых грунтах в сейсмических районах и исследование их несущей способности // Сб. тр. респ. совещ. «Подготовка оснований и устройство фундаментов на просадочных грунтах и в сейсмических районах». -Чимкент, 1985.-С.91-93.

7. A.A. Musaelian, R.A.Usmanov, V.A.Bogachko. Stady of the behaviour of the stratified foundation with a weak underlying layer on water saturated loess soils // Proceed. Fifth International Congress International Association of Engineering Geology. 20-25 october 1986 / Buenos Aires, pp. 701-704.

8. Коновалов П.А., Мусаэлян A.A., Усманов P.A. и др. Устройство искусственных оснований на водонасыщенных лессовых грунтах Таджикской ССР // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1986, №4. - С. 18-20.

9. Мусаэлян A.A., Усманов P.A., Вильфанд А.Г. Результаты экспериментальных исследований деформаций лессовых водонасыщенных грунтов при сейсмических воздействиях // «Ускорение научно-технического прогресса в фундамен-тостроении», т.1. - М., Стройиздат, 1987, - С.87-89.

10. Шоев Н.И., Гиясов А.Г., Усманов P.A. и др. Учет инженерно-геологических и климатических условий Таджикской ССР при проектировании и строительстве зданий // Сб.тр. респ. научно-практической конф. молодых ученых и спец. посвящ. 70-летию Великого Октября. - Душанбе, 1987. - С.3-11.

11. Усманов P.A., Богачко В.А., Сапов С.П. Опыт уплотнения лессовых во-донасыщенных грунтов песчаными дренами. // Сб.тр. респ. научно-практической конф. молодых ученых и спец. посвящ. 70-летию Великого Октября. - Душанбе, 1987.-С.38.

12. Усманов P.A. Устройство набивных свай в слабых грунтах. // Сб.тр. респ. научно-практической конф. молодых ученых и спец. посвящ. 70-летию Великого Октября. - Душанбе, 1987. - С.128.

13. Зехниев Ф.Ф., Усманов P.A. Прогрессивная технология устройства вертикальных песчаных дрен // Сб. тр. ХУ11 научно-отчетной конференции преподавателей ТПИ, ч.1. -Душанбе, 1989.- С.149.

14. Рузиев А.Р., Усманов P.A. Опыт уплотнения просадочных грунтов гидровзрывным методом в условиях сложного рельефа // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1991, №1. - С.13-14.

. 15. Рузиев А.Р., Усманов P.A. Уплотнение просадочных грунтов замачиванием и глубинными взрывами в условиях сложного рельефа И Архитектура и Стро-. ительство Узбекистана. - Ташкент, 1991, №4. - С.29-30.

16. Усманов P.A., Сулейманова М.А. К вопросу об усилении оснований деформированных зданий // Тр. межд. конф. молодых ученых и специалистов посвящ. 70-летию г.Душанбе. - Душанбе,1997. - С.34-35.

17. Усманов P.A. Испытания лессовых грунтов динамическими нагрузками // Сб. тр. межд. научно-практич. конференции «16 Сессия Шурой Оли РТ (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования». - Душанбе, 2002.-С.37.

18. Усманов P.A. К вопросу об усилении оснований деформированных зданий II Сб. тр. межд. научно-практич. конференции «16 Сессия Шурой Оли РТ (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования». -Душанбе, 2002. С.38.

19. Усманов P.A. Рациональная технология устройства малоармированных набивных свай на слабых грунтах // Тез.докл. межд. научно-практич. конференции «16 Сессия Шурой Оли РТ (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования». - Душанбе, 2002. - С.39.

20. Усманов P.A. Некоторые результаты экспериментальных исследований лессовых грунтов динамическими нагрузками // Тр. межд. научной конференции «Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии». -Душанбе, сентябрь 2005. - С.215-218.

21. Усманов P.A. Исследование особенностей деформаций оснований, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами при динамических нагрузках// Тр. межд. научной конференции «Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии». - Душанбе, сентябрь 2005. - С.219-223.

22. Усманов P.A., Рузиев А.Р. Исследование сейсмического эффекта при уплотнении лессовых просадочных грунтов гидровзрывным методом в условиях сложного рельефа // Тр. межд. научной конференции «Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии». — Душанбе, сентябрь 2005. - С.224-226.

23. Усманов P.A. Эффективный способ устройства набивных свай на слабых водонасыщенных грунтах // Тр. III - го Центральноазиатского геотехнического симпозиума «Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах». - Душанбе, ноябрь 2005. - С.212-215.

24. Усманов P.A., Сулейманова М.А. Рациональный метод усиления оснований деформированных зданий // Тр. 111 -го Центральноазиатского геотехнического симпозиума «Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах». - Душанбе, ноябрь 2005. - С.350-352.

25. Усманов P.A. Экспериментальные исследования особенностей деформаций неоднородных оснований, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами II Тр. межд. научно-практической конференции «Наука и инновации в современном строительстве - 2007». - Санкт-Петербург, 2007. - С.163-167.

26. Усманов P.A. Изменение строительных свойств лессовых просадочных грунтов в результате их обводнения в условиях республики Таджикистан // Межвузовский тематический сборник СПбГАСУ: Научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах. - Санкт-Петербург, 2008.-С.229-237.

27. Усманов P.A. Особенности работы однородных и искусственных оснований, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами при сейсмических воздействиях // Научно-технический журнал СПбГАСУ: Вестник гражданских инженеров. - Санкт-Петербург, 2008, №2(15). - С.50-56.

28. Усманов P.A. Устройство фундаментов на неоднородных основаниях, подстилаемых слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами // Научно-технический журнал СПбГАСУ: Вестник гражданских инженеров. - Санкт-Петербург, 2008, №2(15).-С.56-61.

29. Усманов P.A. Экспериментальные исследования эффективности уплотнения водонасыщенных лессовых грунтов вертикальными песчаными дренами II Научно-технический журнал: Известия Томского политехнического университета. - Томск, 2008. -Т.313. -№1. - С.88-91.

30. Усманов P.A. Особенности образования и строительства сооружений на слабых водонасыщенных лессовых грунтах в условиях Таджикистана // Научно-технический журнал: Вестник МГСУ. - Москва, 2008, №3. - с.111-116.

31. Усманов P.A. К расчету консолидации слабых водонасыщенных лессовых грунтов Среднеазиатского региона, уплотняемых вертикальными песчаными дренами // Известия ВУЗов: серия «Строительство». - Новосибирск, 2008, №11-12. - С.113-121.

32. Мангушев P.A., Усманов P.A. К расчету деформации фундаментов на неоднородных основаниях, подстилаемых слабыми водонасыщенными фунтами // Межвузовский тематический сборник СПбГАСУ: Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники. - Санкт-Петербург, 2009.

RESUME Usmanov Rustam Alimjanovich

Weak water-sated soils, formed of irrigation loesses, as the bases of constructions in conditions of republic Tajikistan.

Speciality - 05.23.02 «Bases and foundations, underground structures»

Object of research and development: Weak and strong compressibility water-sated loessial soils, formed of irrigation and water-saturation earlier unhumidity Ioessial soils.

The aim of the work. Studying of a condition of a problem of industrial and civil construction in the territories of the republic Tajikistan combined weak water-sated loessial soils, development of effective methods of preparation of the bases and devices of the bases on specified soils, in conditions of republic Tajikistan.

Method or methodology of carrying out the work.

Methodological base of researches is the analysis of interaction of system «the building - the base - the weak water-sated, non-uniform or artificial basis» and results of large-scale natural experimental researches, the analytical and numerical decision of problems on deformation of rigid stamps on the weak water-sated loessial, non-uniform and artificial bases spread soft soils, with use of models of modern soil mechanics, methods of mathematical statistics and physical modelling of processes.

Results of the work:

- researches weak water-sated loessial soils of Central Asian region in laboratory and natural conditions are lead;

- irrigations and transition loessial soils researches of features are lead to the water-sated condition, engineering - geological conditions of formation of building properties weak water-sated loessial soils Tajikistan, with drawing up of tables of normative meanings strength and deformation characteristics clayey soils are investigated and determined;

- typical circuits of a condition deposit weak water-sated loessial soils in the basis of constructions are established and are suggested for practical use. Classification of types of the bases and kinds of the bases is developed at development under building of the territories combined specified soils;

- complex researches of effective methods of the device of the bases and the bases of buildings and constructions on weak water-sated loessial soils are revealed and lead (revealed and carried out);

- laws tensely - deformed condition of the natural, non-uniform and artificial bases combined weak water-sated loessial soils are investigated, at static and seismic loadings;

- substantive provisions and requirements on designing, account and the device of the bases and the bases of buildings and constructions on the natural and artificial bases combined weak water-sated loessial soils are developed.

Basic constructive, technological and technical-operating characteristics of investigations consist in following:

• technique of designing and account of the bases on the non-uniform bases combined weak water-sated loessial soils, in conditions natural deposit;

• technology of the device, a technique of designing and account high consolidations earth pillows on the homogeneous and non-uniform bases combined weak water-sated soils;

• technology of the device stuffed piles and vertical sandy drains on weak water-sated loessial soils, specifications on their manufacturing;

• technique of the account of decrease of a load-carrying capacity of the artificial basis at seismic influences of various intensity;

• recommendations at a choice and designing of effective methods of the device of the bases and the bases of buildings and constructions on the natural and artificial bases combined weak water-sated loessial soils, in conditions of republic Tajikistan.

Degree of application. Results of the research are introduced at designing and construction of buildings and constructions on weak water-sated loessial soils in conditions of republic Tadjikistan; by development of republican building norms and rules, practical recommendations, specifications, etc. the documents regulating researches, designing and the device of the bases and foundations on weak water-sated soils.

Recommendations for application or results of applying the scientific research

work.

Results of researches are applycated as regional and departmental recommendations, manuals and instructions in system of Gosstroy, Minstroy, Minselstroy, etc. departments and the organizations; can be used by technical officers at the decision of geotechnical questions of town-planning in the territories combined weak water-sated soils, and also in HIGH SCHOOLS at teaching disciplines on a direction of Geotechnics.

Field of application. Designing and account of effective methods of preparation of the bases and devices of foundations of constructions in the territories combined weak water-sated loessial soils.

Economic effectiveness or the significance of the work. The received economic benefit of introduction of results of the executed work in Republic of Tajikistan makes more than 5 million somoni. For last years, introduction of results of researches in practice of construction, have allowed to receive economic benefit at a rate of 1,5 million somoni.

Prediction suppositions about development of the research object. It is

necessary to continue complex experimental researches of work stuffed piles under the circuit of piles - racks at static and seismic loadings; to study features of condensation weak water-sated loessial soils vertical sandy drains at size for load p > 150 xTla; researches of dynamic characteristics weak water-sated loessial soils it is necessary a carry with use of more perfect devices and in a wide range of parameters of dynamic influences and properties soils; at tests of the bases spread weak water-sated soils, for seismic influences, more expedient is to load stamps the loadings making 0,8; 0,7; 0,6 and 0,5 from size of a maximum load that cariying out deeper qualitative and quantitative analysis of results under the account of influence of seismic forces for work of the bases will allow.

Туши

Усманов Рустам Эл1мжанович

Тэжшстан республикасыньщ жагдайларына сэйкес, гимараггардыц негЫ ретшде, лесстердщ суландыру кез1нде пайда болган элсЬ суга каныккан топырактар.

Мамандык - 05.23.02 «Непздер жоне ¡ргетастар, жерасты гимараттар»

Зертгеу объекта немесе зергтемелер: Алдын-ала аз ылгалды лесст! топырактардьщ суландыру жэне суга каныккан кезшде пайда болган элсЬ жэне катты кысылатын суга каныккан лесст1 топырактар.

' Жумыстыц максаты. Тэжжстан Республикасыньщ территориясындагы енд1р!ст1к жэне азаматтык кздэылыс мэселелерш зертгеу, республика жагдайында корсет1пгсн топыракгарда ¡ргетасты К¥РУ жэне непздерш даярлаудын тшмщ! эдштерш жасау.

Жумыстыц журпзудщ ад!С1 жэне эднггемес!. Зертгеудщ эдкнамалык непз'| «гимарат - ¡ргетас - элыз суга каныккан, б1ртекп емес немесе жасанды непздер» жуйесппц взара эрекетегагш жэне ¡р! масштабтагы натурлы эксперимента зерттеулердщ нэтижелерш топырактьщ кад|'рп механикасынын модел'ш, сондай-ак процестерд1 физикапык модсльдсущ жэне матсматикалык статистика эдютсрш колдана отырып талдау.

Жумыстыц нэтижелерь

- орт алы к, Азия аймагында лабораториялык жэне дала (натурлы) жагдайында элсЬ суга каныккан топырактарга зерттеулер журпзицц;

- Тэжжстандагы элс13 суга каныккан лесст!к топырактардьщ курылыстык; сапаларын калыптастырудын тозачды-кумды топырактьщ бержтк жэне деформациялык сипаттамаларыныч норматива мэндшк кестесш курумсн байланысты инженерлж-геологиялык алгышарттары аныкталды жэне зертгелд!;

- гимарат непзше практикалык тургыдан колдану элс)з суга каныккан топырактьщ жатып кату шарттарыньщ тигспк схемасы жасапды; керсетшген топыракка кздзылыс салуды игеру ушн ¡ргетас турлер1 мен непздер'ш'щ типтсршщ Ж1ктемес1 жасапды;

элс'га суга каныккан лессп топарыкка гимарат пен курылыс уймереттер1, ¡ргетастары мен непздерш салудьщ тшмд! эдютерш кешенд1. зерттеулер журпзщщ;

статикалык жэне сейсмикалык т^ргыдан артылган жуктемелер жагдайында олаз суга каныккан лссст! топырак цосылган табиги, б1р тект! емес /кабатты/ жэне жасанды непздердщ кернеул1-деформацияланган куйшщ завдылыктары зерттелд'1;

- элслз суга каныккан лессп топырак косылган табиги жэне жасанды непздерде гимараттар пен уймереттер непздерш жасау, есептеу жзне жобалау бойынша непзп кагидалар мен талаптар жасалды.

Непзп конструктива, технологиялык. жане техникалык,-эксплуатациялык сипаттамалары:

- элсЬ суга каныккан 6ip теки емес лесстч топырактар косылган табиги жагдайда ¡ргетастарды жобалау мен есептсудщ эдютемесг,

- элс^з суга каныккан 6ip тект1 жэне 6ip текп емес лесст'1 топырактар косылган жогары децгейде тыгыздалган топыракты квпипкп /подушек/ есептеу мен жобалаудыц эдютемеа, оны жасаудыц технологиясы;

- олаз суга каныккан лесси топыракгарда аз арматурапанган к^йма кадалар мен вертикальд! кумды дрендердщ к^рылгы технологиясы, олардын дайындауындагы техникалык шарттары;

- алуан турл! каркындыктагы сейсмихалык ыклал жагдайында жасанды непздерпнц кетерпитк кабшетшщ темендеуш есептеу эдктемеа;

- Тэнакстан республикасы жагдайында эл«з суга каныккан лессп топырактар салынган табиги жэне жасанды непздерде гимараттар мен уймереггер ¡ргетасын жэне непздерш жасаудьщ тшмд! эд!стерш тацдау мен жобалау бойынша усыныстар.

Енд!ру дэрсжеск Зерттеу нэтижелер! Тэжжстан республикасы жагдайында элсЬ суга каныккан лессп топырактар гимараттар мен уймерттсрдщ курылысын салу жэне оларды жобалауда; элсЬ суга каныккан топырактарда енпздер мен ¡ргетастарды жобалау мен зерттеулерд! реттейтш республикалык курылыстык нормалар мен ережелерд1, практикальщ усыныстар жзне техникалык шарттар т.б. кужатгарды жасауда енпзшд1.

Гылыми зерттеу жумысын енпзу нэтнжелер! туралы усыныстар. Зерттеу нэтижепер! Мемлекетпк курылыс, Курылыс министрлш, Ауылшаруашылык курылыс министрл1п т.б. ведомство жэне уйымдардын жуйесшде аймакгык жэне ведомстволык усыныстар,басшыльщтар жэне инструкция туршде енпзшдц геотехника багытындагы пэндержогары оку орындарында окыту барысында, сондай ак элс!з cyFa каныккан топырактармен косылган территорияларда кала курылысын салудын геотехникапык мэселелерш шешуде инженер техникалык кызметкерлердщ колдануына болады.

Цолдану саласы. Крсылган элс!з суга каныккан лессп топыракты территорияларда гимраттардыц ¡ргетасын салу жэне непздерд1 даярлаудын ти1мд1 o,ui стер in жобалау жэне есептеу.

Жумыстыц экономикалык тшмдшп жэне маныздылыгы. Орындалган жумыстыц нэтижелерш Тэжшстан республикасында енпзуден альшгаи экономикалык эсер 5 млн сомониды курайды. Сонгы жылдары зерттеу нэтижелерш курылыс прахтикасына енпзу 1,5 млн сомони келемтде экономикалык нэтиже алуга мумюндак берди

Зерттеу нысанын дамыту туралы болжамдык усыныстар. Статикалык жэне сейсмикалык; жуктеме жагдайында када-TipeK улпс! бойынша ез бетшше калыптасатын куйма кадаларды кешенд1, эксперименталды зерттеу жумысын жалгастыру; Р> 150 кПа жагдайында элйз суга каныккан лессл топырактарды вертикальды кумды дрендердермен тыгыздаудын ерекшел1ктерш зерттеу керек; топырактардыц динамикалык ыкпалы мен касиеттер1 параметрлершщ кец диапазонында жэне мейлшше жетшд1ршген приборларды колдануда; элс!з cyFa каныккан лесст1 топырактардыц

динамикалык сипаггамаларын зерттеуде; элс!з cyFa каныккан лесст1 топырактардыц непздерш сынауда топырактардыц динамикалык; ыкпалы мен ^асиеттерш зерттеу керек, сейсмикалык эсерлерге, штампты жуктемелермен жуктеу KöGipeK лайыкгы болып табылады, жуктеменщ шект! мелшершен 0,8; 0,7; 0,6; жзне 0,5 жасаушылары болып табылады, булар непздердщ жумысыиа сейсмикалык куштердщ эсер1мен аса терецде сапалы жэне нэтижелердщ сандык анализш журпзуге руксат бередь

Компьютерная верстка И. А. ^блоковой

Подписано к печати 26.01.09. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 3,1. Тираж 150 экз. Заказ 5.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

71 11-5/67

Федеральное агентство по образованию Российской федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно строительный университет

Кафедра Геотехники

УДК 624.131.23:624.152.2:624.159.11 На правах рукописи

Усманов Рустам Алимджанович

Слабые водонасыщенные грунты, образованные обводнением лессов, как основания сооружений в условиях республики Таджикистан

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -д.т.н., профессор Мангушев Р.А.

Президиум ВАК Рос

™.......=..... 10, а

К- .. -.........,......■ ГОРА

-............___________наук

Йачальиггк управлегщя ВА|£<Рогеии Астана, 2009

Содержание Стр.

Нормативные ссылки...................................................... 5

Определения, обозначения и сокращения........................... 6

Введение....................................................................... 7

Глава 1 Принципы проектирования и строительства зданий и сооружений на водонасыщенных лессовых грунтах.................. 17

1.1 Основные физико-механические и прочностные свойства слабых водонасыщенных лессовых грунтов.................................... 17

1.1.1 Понятие о слабых водонасыщенных лессовых грунтах........ 18

1.1.2 Изменение свойств лессовых грунтов при обводнении...... 23

1.2 Опыт промышленного и гражданского строительства на слабых водонасыщенных лессовых грунтах..................................... 28

1.2.1 Фундаменты на естественных основаниях..................... 28

1.2.2 Фундаменты на искусственных основаниях..................... 36

1.2.3 Свайные фундаменты в условиях водонасыщенных

лессовых грунтов........................................................................................... 49

1.2.4 Фундаменты на основаниях, уплотненных вертикальными песчаными дренами и пригрузом территории............................... 51

1.3 Особенности промышленного и гражданского строительства

на слабых водонасыщенных лессовых грунтах Таджикистана............. 51

Выводы по главе.............................................................. 54

Глава 2 Инженерно-геологические особенности территорий Таджикистана при их обводнении и подтоплении................................ 56

2.1 Образование и распространение водонасыщенных лессовых грунтов на территории республики............................................... 56

2.2 Изменение уровня подземных вод и обводнение отдельных территорий. Анализ опыта проведения инженерно-геологических изысканий на территориях, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами................................................................ 67

2.3 Экспериментальное изучение влияния обводнения на изменение физико-механических свойств лессовых грунтов............... 80

Выводы по главе.............................................................. 91

Глава 3 Особенности проектирования и устройства фундаментов на водонасыщенных грунтах, образованных обводнением лессов................................................................ 93

3.1 Основные типы грунтовых оснований с учетом залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов.................................... 93

3.2 Основные виды искусственных оснований и возможные конструктивные решения фундаментов, при различных типах залегания слабых водонасыщенных лессовых грунтов...................... 95

3.2.1 Виды оснований и фундаментов при использовании слабых грунтов................................................................................. 95

3.2.2 Виды оснований и фундаментов при использовании неоднородных грунтов............................................................ 98

3.3 Экспериментальные исследования работы грунтовых

оснований, сложенных слабыми водонасыщенными и неоднородными слоями грунтов........................................................................ 100

3.3.1 Методика проведения натурных испытаний................... 101

3.3.2 Анализ результатов полевых испытаний грунтовых оснований.............................................................................. 103

3.4 Расчет осадок фундаментов мелкого заложения на неоднородных основаниях, подстилаемых сильносжимаемыми грунтами................................................................................ 111

3.4.1 Сопоставительные расчеты осадок фундаментов на неоднородных основаниях.......................................................... 111

3.4.2 Оценка влияния величины сжимаемой зоны и изменения модуля общей деформации грунтов основания на конечные значения осадок................................................................................... 113

3.4.3 Предлагаемые методы расчета осадок фундаментов на неоднородных естественных основаниях, аналитическим и численным методами........................................................................................................ 117

3.5 Рекомендуемые типы фундаментов мелкого заложения на различных типах неоднородных оснований. Особенности их проектирования и расчета.......................................................... 124

Выводы по главе.............................................................. 132

Глава 4 Особенности проектирования и устройства фундаментов на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек................................... 136

4.1 Общие положения и состояние вопроса............................ 136

4.2 Исследование технологии устройства высокоуплотненных грунтовых подушек на слабых водонасыщенных и неоднородных основаниях............................................................................ 140

4.3 Исследование особенностей работы искусственных оснований на слабых водонасыщенных лессовых грунтах, с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, при статическом нагружении............................................................ 146

4.3.1 Методика проведения крупномасштабных полевых экспериментов........................................................................ 146

4.3.2 Результаты и анализ крупномасштабных полевых экспериментов........................................................................ 148

4.4 Расчет осадок фундаментов на искусственных основаниях с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек аналитическими

и численными методами............................................................................ 157

4.5 Рекомендации по проектированию и устройству искусственных оснований........................................................... 161

Выводы по главе.............................................................. 168

Глава 5 Методы глубинного улучшения оснований, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами...... 169

5.1 Экспериментальные исследования по отработке технологии устройства и изучению работы самоформирующихся набивных свай... 169

5.1.1 Общие положения................................................................ 169

5.1.2 Полевые исследования по отработке технологии устройства самоформирующихся набивных свай..................................... 171

5.1.3 Результаты полевых испытаний самоформирующихся набивных свай статическими нагрузками.................................................. 175

5.2 Экспериментальные исследования закономерностей уплотнения слабых водонасыщенных лессовых грунтов песчаными дренами........................................................................................................... 178

5.2.1 Общие положения.................................................... 178

5.2.2 Методика проведения полевых исследований.................. 180

5.2.3 Результаты полевых исследований по уплотнению водонасыщенных лессовых грунтов песчаными дренами.................... 183

5.2.4 Расчет консолидации толщи слабых водонасыщенных лессовых грунтов при устройстве песчаных дрен............................ 186

Выводы по главе.............................................................. 192

Глава 6 Влияние сейсмических воздействий на работу естественных и искусственных оснований, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами, образованными обводнением лессов 194

6.1 Общие положения и состояние вопроса............................ 194

6.2 Методика проведения и результаты лабораторных испытаний слабых водонасыщенных лессовых грунтов динамическими воздействиями......................................................................................................196

6.3 Методика проведения и результаты полевых испытаний оснований, сложенных слабыми водонасыщенными лессовыми грунтами на сейсмические (сейсмовзрывные) воздействия................. 202

6.3.1 Методика проведения полевых испытаний..................... 202

6.3.2 Результаты испытаний однородных оснований............... 204

6.3.3 Результаты испытаний искусственных оснований с устройством высокоуплотненных грунтовых подушек, рекомендации

по их учету............................................................................. 209

6.3.4 Результаты испытания самоформирующихся набивных свай...................................................................................... 212

Выводы по главе.............................................................. 214

Заключение..........................................................................................................................215

Список использованных источников................................. 219

Приложения.................................................................. 243

Приложение А Внедрение результатов исследований.............. 243

Приложение Б Технические условия на изготовление самоформирующихся набивных свай и песчаных дрен в лессовых водонасыщенных грунтах.......................................................... 249

Нормативные ссылки

В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты и документы:

- ГОСТ 25192-82 Бетоны. Классификация и общие технические требования.

- ГОСТ 23061-90 Грунты. Методы радиоизотопных измерений плотности и влажности.

- ГОСТ 30672-99 Грунты. Полевые испытания. Общие положения.

- ГОСТ 20276-99 Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.

- ГОСТ 199912-2001 Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием.

- СНиП П-7-81* Строительство в сейсмических районах. - М.: Стройиздат, 1981.

- СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1985.

- СНиП 2.03.01-84 Бетонные и железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1985.

- СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты. - М.: Стройиздат, 1986.

- СНиП 2.06.15-85 Инженерная защита территории от затопления и подтопления.

- СНиП II-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства (ч.1-III).-М.: Стройиздат, 1997.

- СП 50-101-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов. - М.: Стройиздат, 2004.

- СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 2004.

- МКС ЧТ 22.08-2004 Биносози дар заминхои фурунишин. - Душанбе, 2004.

- МКС ЧТ 50-01-2007 Асосу тахкурсихои биною иншоот. Меъерхои лоихакаши.

- Душанбе, 2008

Определения, обозначения и сокращения

В настоящей диссертации применяются следующие термины с соответствующими определениями, обозначениями и сокращениями:

esi - относительная деформация просадочности;

Psi - начальное просадочное давление;

Я - относительная толщина несущего слоя;

ксж - сжимаемая зона основания.

Слабые водонасыщенные лессовые грунты (СВЛГ) — лессовые породы, образованные в результате изменения (деградации) в сторону ухудшения их физико-механических свойств при повышении уровня подземных вод под воздействием природных и техногенных факторов обводнения.

Неоднородные основания - основания, сложенные выше

установившегося (стабилизированного) уровня подземных вод неводонасыщенными (S,. < 0,8) более прочными, а ниже УПВ, слабыми и сильносжимаемыми водонасыщенными (Sr > 0,8) лессовыми грунтами.

Высокоуплотненные грунтовые подушки — грунтовые подушки, устраиваемые из гравийно-галечниковых, песчано-гравийно-галечниковых и

о

песчаных материалов с плотностью сухого грунта yd > 22 кН/м .

Малоармированные самоформирующиеся набивные сваи (СНС) и песчаные дрены - конструкции свай и вертикальных дрен, устраиваемые в слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах погружением инвентарных (извлекаемых) и теряемых (оставляемых) наконечников без применения обсадной трубы с помощью вибропогружателей, вибромолотов, сваебойных агрегатов и др.

Сейсмовзрывные воздействия - методика имитации сейсмических воздействий различной интенсивности в натурных условиях, с помощью взрывов зарядов взрывчатых веществ (ВВ), устанавливаемых на определенном расстоянии и глубине от исследуемого объекта, определяемых соответствующими расчетами.

Перепад динамического напряжения п - знакопеременные динамические нагрузки, действующие в вертикальном и горизонтальном направлении, амплитуда которых может составлять до 50% от статических нагрузок.

Лессовые грунты, просадка, технология, деформации, классификация, типы, эксплуатация, фундамент в вытрамбованном котловане, однородные основания, искусственные основания, двухслойные основания, глубинные марки, относительная толщина, поверхностные марки, методика, способ, стабилизация, относительные перемещения, послойные деформации, консолидация, осадка во времени, высокоуплотненные грунтовые подушки, грунтоизвестковые смеси и подушки, известковые сваи, песчаные сваи и дрены, комбинированные основания, водопонижение.

ЗС - здания и сооружения;

СНиП - строительные нормы и правила;

СП - свод правил по проектированию и строительству.

МКС - меъерхо ва коидахои сохтмон (СНиП на таджикском языке).

Введение

Общая характеристика работы. Республика Таджикистан является горной страной, где около 90% территории представлены горными массивами, а остальная часть равнинными и предгорными площадями. Дефицит земли, являющийся основным резервом для развития сельскохозяйственного производства, жилищного, промышленного и др. видов строительства, требует очень разумного использования и всегда представлял для республики особую проблему. При этом, около 70% равнинных территорий повсеместно представлены лессовыми и лессовидными породами, толщиной от нескольких до 100 метров и более. Основу развития народного хозяйства республики составляет аграрный сектор (главным образом хлопководство), под которое было выделено более 60% площади всех равнин.

Следует отметить, что многие исторически сложившиеся города и крупные населенные пункты в Республике Таджикистан, как правило, возведены на территориях, сложенных просадочными грунтами и, следовательно, строительство объектов гражданского и промышленного назначения, также осуществлялось на указанных грунтах. Однако, в практике строительства все чаще встречаются случаи, когда строительные площадки представлены либо однородными слабыми водонасыщенными лессовыми либо неоднородными (слоистыми) основаниями, подстилаемые этими грунтами.

Соответствующие постановления правительства Республики Таджикистан, запрещающие строительство ЗС на пригодных для сельского хозяйства земляных массивах, привело к освоению под застройку ранее непригодных площадей - склоны холмов, обводненные и заболоченные участки. В то же время, в начале 70-х годов прошлого столетия, в связи с бурным развитием орошения и строительством больших гидроузлов (Головная, Нурекская, Байпазинская ГЭСы с одноименными водохранилищами), широкой сети ирригационных и мелиоративных сооружений, интенсивного и бесконтрольного полива сельскохозяйственных угодий (особенно хлопковых полей), а также влияния ряда других природных и техногенных факторов, в республике происходит процесс обводнения обширных территорий, сложенных большими толщами ранее маловлажных лессовых грунтов и по праву представляет для страны "проблему века". Вследствие значительного повышения уровня подземных вод и природной влажности грунтов, наблюдается процесс их деградации (изменение физико-механических свойств) и переход в водонасыщенное состояние, в результате чего, площадки строительства могут быть представлены полностью водонасыщенными или неоднородными основаниями, с высоким залеганием установившегося уровня подземных вод (далее УПВ).

В Республике Таджикистан, исследования свойств СВЛГ и методов строительства на них были начаты в 70-х годах прошлого столетия. Инженерно-геологические и гидрогеологические работы проводились сотрудниками институтов «Гипроводхоз» и «Таджикгипроводхоз» ММ и ВХ СССР и Таджикской ССР, исследованиями их свойств занимались сотрудники

Таджикского филиала ВНИИГиМ им. Веденеева, научной лаборатории и кафедры «Инженерная геодезия и механика грунтов» Таджикского политехнического института (ныне кафедра «Подземные сооружения, основания и фундаменты» Таджикского технического университета им. акад. М.С. Осими), специалистами института «ТаджикГИИНТИЗ» (ныне АООТ ТаджикГИИНТИЗ), рядом проектных и строительных организаций. По заданию Госстроя республики Таджикистан в период 1974... 1990 годов, в рамках выполнения Госбюджетных научно - исследовательских работ, наиболее целенаправленные и комплексные исследования свойств СВЛГ и методов строительства на них были проведены Среднеазиатским филиалом НИИ оснований и подземных сооружений (САФНИИОСП, ныне АООТ САНИИОСП) при активном участии сотрудников лаборатории «основания и фундаменты на слабых грунтах» НИИОСП им. Н. М. Герсеванова Госстроя СССР, в проведении многих из которых автор принимал непосредственное участие.

Приведенные в диссертационной работе комплексные исследования и разработки, по решению проблемы строительства ЗС на СВЛГ в условиях Республики Таджикистан, обеспечивает решение крупной научно-прикладной проблемы - повышение надежности и эффективности застройки территорий, сложенных СВЛГ. В соответствии с научной концепцией, выдвинутой соискателем слабый и сильносжимаемый водонасыщенный лессовый грунт в основании, рассматривается как особое техногенное новообразование, формирование которой обусловлено интенсивным воздействием природных и техногенных факторов обводнения на ранее маловлажные лессовые породы, что предполагает возведе