автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Совершенствование технологии подводного бетонирования буровых свай мостовых фундаментов

На правах рукописи УДК

РГ6 од - 9 ИЮЛ 1997

СМИРНОВ Александр Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГЩ| ПОДВОДНОГО БЕТОНИРОВАНИЙ БУРОВЫХ СВАЙ

МОСТОВЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Специальность 05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученай степени кандидата технических маук

Москва, 1997

Работа выполнена в ОАО " Научно-исследовательский институт транспортного строительства"(ЦНИИС).

Научные руководители - доктор технических наук, профессор | Силин К.С. 1,

- кандидат технических наук Платонов A.C.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Леонычев A.B.,

- кандидат технических наук Марышев Б.С.

Ведущая организация - Акционерное общество

"Гипротрансмост"

Защита состоится " ePff" 1997 г. в JO-Ой часов на

заседании диссертационного совета Д 133.01.01 при АО "Научно-исследовательский институт транспортного строительства" ( ЦНИИС) по

адресу:

129329, Москва, ул. Кольская, 1,

С диссертацией можно ознакомиться, в библиотеке АО ЦНИИС. Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ,s - / кандидат технических наук ^^^^^¿^/ж.А.Петрова

Общая характеристика работы

Современная мировая строительная практика показывает, что доля фундаментов на буровых сваях в общем объеме строительного производства продолжает возрастать. Устройство фундаментов глубокого заложения на буровых сваях в настоящее время является основным способом фундирования мостовых опор больших и внеклассных мостов. Диссертация посвящена решению одной из пер-спеетивных научно-технических проблем - совершенствованию тех-, нологии подводного бетонирования буровых фвай при сооружении фундаментов мостовых опор.

Актуальность темы

Наряду с известными преимуществами буровые сваи имеют и недостатки, органически присущие традиционной технологии их сооружения. Это повышенный расход бетона на единицу несущей способности по грунту,- например, для забивных свай в среднем отношение несущей способности к объему бетона составляет около 500 кН /м\ в то время как для буровых свай этот показатель колеблется от 50 до 110 кН/м3. Использование литой бетонной смеси, пассивно заполняющей разбуренную скважину,, приводит к повышенному расходу цемента, а также к пониженной прочности бетона. Указанные недостатки буровых свай отражены в действующих нормативных документах, введением . коэффициентов условий ра-

боты свай, понижающих их несущую способность по фунту и бетону тела сваи. Иными словами при проектировании мостовых фундаментов на буровых сваях имеются резервы при расчете по первому предельному состоянию - по несущей способности фунтового основания й материала сваи, й по второму предельному состоянию по долговечности и надежности конструкции.

Для приближения физико-механических характеристик подводного бетона к бетону, укладываемому на суше, могут быть использованы малоподвижные бетонные смеси с осадкой конуса 06см. Разработанная ВНИИГС технология подводного бетонирова-шш с вибрацией укладываемой смеси показала действительные преимущества такого способа бетонирования. Слабым местом предложенной технологии оказалось отсутствие надежного- вибро-возбущггеля способного возбуждать колебания достаточной мощности для работы под водой на значительной глубине. Использование для этой цели серийных образцов вибраторов не обеспечило требуемой надежности оборудования, что особенно важно при бетонировании глубоких обводненных скважин, где отказ оборудования чреват трудно устранимым браком.

Таким образом в современной строительной практике проблемы повышения эффективности использования материала в буровой свае и качества ее бетона остаются нерешенными. Один из вариан-

тов решения поставленных проблем найден в проведенных исследованиях.

Цель настоящей работы - исследование технологических возможностей объемного вибрационного воздействия на формирование несушей способности песчаного грунтового основания и физико-механические свойства бетона буровых свай, сооружаемых с использованием технологии подводного бетонирования методом Hill

Методика выполнения исследований При выполнении работы были исмолыованы следующие методы исследовании:

1 Лабораюрное моделирование вибраиионною воздействия виб-poopiana на уплотняемый маюриал на физических моделях в маснпабс 15. .

2 Лабораюрное моделирование процесса формирования уплотненною песчаного г рунювою основания на крупномасштабных моделях ( I 2, 1.4) свай оболочек. При. разработке программы опитых лабораторных 'исследований и обработке их результатов использовали аппарат математической теории планирования эксперимента..

3. Лабораторное моделирование? полного'технологического процесса бенширочаиия полости буровой скважины в масштабе 1:2,

4. Натурные исследования взаимодействия опытной буровой сваи с уплотненным при виброштамповании грунтовым основанием, и определение свойств полученного бетона буровых свай.

5. Теоретические исследования взаимодействия штампа и уплотняемого материла, общей устойчивости вибросистемы, прогнозирования осадки жесткого штампа на уплотняемом песчаном основании, определение резонансных явлений и амплитудно-частотных характеристик вибровоздействий.

При проведении экспериментальных 'исследований было использовано современное тензометрическое оборудование и соответствующее метрологическое обеспечение. Натурные испытания и измерения проводили в соответствии с действующими стандартами.

Научная новизна

• Теоретически исследоваио взаимодействие рабочего органа и уплотняемой среды, при этом определены рациональные параметры технологического оборудования, обеспечивающие общую устойчивость вибрационной системы во всех технологических фазах и Исходные требования на его проектирование.

* Предложен и подтвержден модельными экспериментами графический метод инженерного прогноза осадок жесткого кругЛого штампа на уплотняемом основании..

• Проведено экспериментальное исследование взаимодействия рабочего органа и уплотняемого материала.

• Экспериментально, в натурных условиях, уточнены коэффициенты условий работы при определении несущей способности сваи по грушу и прочности бетона тела сваи, показатели его морозостойкости и водонепроницаемости, при использовании глубинного объемного виброшгампования подводной бетонной смеси.

Практическая ценность Результаты исследований использованы при усилении фунтового основания опоры №2 моста ч/р Чусовую в г. Перми. Разработаны и согласованы Федеральным Дорожным департаментом "Рекомендации на проектирование, производство и приемку работ по устройству буровых свай с объемным виброштаылованйем бетонной смеси укладываемой под воду" для строительства моста ч/р Волгу в г. Волгограде". .

Апробация работы

Материалы исследований докладывались и получили одобрение на 14 и 15 научно-технических конференциях молодых специалистов и аспирантов Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства (ДНИИС) ( Москва 1987, 1989г ), на Всесоюзной научно-технической конференции молодых

ученых и специалистов по механике грунтов и фундаментострое-нию. На базе ВНИИОСП им. Герсиванова (Звенигород, 1989г.) . На заседаниях научно-технического совета Корпорации "Трансстрой" (Москва, 1995 и 1996гг.) на научно - практическом семинаре "Технология работ и контроль качества содержания, ремонта, реконструкции и строительства мостов " в г. Павловске в октябре 1996г.

На защиту выносятся:

Результаты модельных и натурных экспериментов и, разработанный на их основе технический регламент сооружения буровых свай методом виброштампования бетонной смеси, укладываемой под воду.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 121 страницу текста, 71 использованный источник, состоит из введения, пяти глав, четырех приложений, 35 рисунков, 10 таблиц,.

СодерзКЪние работы

Во введении дана общая" характеристика представленных исследований, рассмотрены актуальность темы диссертации, поставлена цель и отмечены новизна и практическая ценность работы.

Теоретическая часть . В первую очередь была разработана технологическая схема или последовательность технологических операций при бетонировании подводных конструкций буровых свай, Пооперационно представленная технологическая последовательность была согласована с производителем работ Мостостроительным трестом АО ■ "Волгамост". Исходя из принятой технологии бетонирования был определен необходимый комплект оборудования, который включал включает, следующие элементы: .

• вибровозбудитель с регулируемыми параметрами,'

• комплект бетонолитных труб для заполнения бетонной смесью буровой скважины глубиной до 50м, диаметром до 2м,

• виброштамп, передающий гармонические колебания уплотняемому материалу,

• кондуктор-амортизаюр, обеспечивающий устойчивое лоложенне.системы при смене циклов бетонирования.

Для разработанной технологической последовательности при производстве бегонных работ была -определена расчетная математическая модель взаимодействия уплотняемой бетонной смеси и рабочего органа, а также модель обшей устойчивости вибросистемы

при изменении параметров уплотняемой среды и параметров вибрационного оборудования.

В математической модели уплотняемая среда ( бетонная смесь, грунт) были представлены известной реологической Моделью - вязкоупругиМ телом Кельвина. Бетонная смесь и грунт при моделировании отличались физическими параметрами жесткости и

I

вязкости. Эти параметры были приняты по литературным источникам.

Были написаны дифференциальные уравнения состояния вибросистемы. При их рещении было установлено что для примененной конфигурации рабочего органа уплотняющие напряжения в среде графически можно представить в виде концентрических кругов. Расходящихся от источника возбуждения колебаний. Пространственная конфигурация рабочего органа обеспечивает распространение уцлотняющих усилий по всему о&ьему материала. Благодаря вертикальным возмущающим колебаниям рабочий орган действует на уплотняемую среду как бесконечное число вертикально расположенных плоских штампов. Поэтому ему было дано название глубинный пространственный виброштамп.

• При математическом моделировании технологического цикла бетонирования скважины была проанализирована- возможность по-, падания технологического оборудование в зону резонанса, при из-

и

менении длины бетонолитных труб. Полученные значения резонансных частот были близки к технологически заданным, поэтому возникла необходимость в сглажирании резонансных зон путем введения в систему дополнительного упругого звена, после чего была обеспечена устойчивая работа системы на протяжении всего технологического цикла.

Па основе теоретических расчетов было проведено физическое моделирование процесса виброуплотнения грунтового основания и укладываемой бетонной смеси .

Одно из основных свойств фунта, определяющих его дефор-мативные качества, является, его. уплОтняемость при нагруженни. Экспериментально установлено, что деформации уплотнения возникают в локальной зоне грунтового массива. В зависимости от нагрузки на штамп и начальной плотности основания, размеры этой локальной зоны деформации составляют от 2,5 до 3 диаметров загружаемой площади в глубину и до четырех диаметров в ширину. Как установлено Э В.Ариинной (1977т), при уплотнении основания меняется структура грунта, а следоьательно, его физико-механические свойства. Этот факт объясняет нелинейность зависимости напряжений н деформаций при нагруженни грунта. В результате уплотнения частицы грунта укладываются более компактно, при этом увеличивается поверхность их контакта, что приводит к

увеличению внутреннего трения и препятствует дальнейшему уплотнению при постоянном уровне статического давления. Как отмечалось выше, установлено, что грунтовое основание воспринимает передаваемые 6т : конструкций фундамента нагрузки, локализуя их в определенной активной зоне. При этом целесообразно концентрировать уплотняющее воздействие именно на этой зоне, формируя в ней физико-механические характеристики, требуемые для восприятия конкретной нагрузки. Новая структура грунтового основания, получаемая при его уплотнении, будет определять новые физико-механические свойства основания. Из этого следует, что существует корреляционная зависимость между осадкой поверхности уплотняемого основания и изменением модуля его начальной деформации. Изменение деформативности основания в каждый момент на-гружения можно оценить, если известна зависимость осадки грунта природного сложения от нагрузки. Величина касательного модуля деформации численно равна производной функции осадки штампа от нагрузки а = f(s) и представляет собой касательную, проведенную на графике функции "Осадка- нагрузка" в соответствующей точке. Графически модель деформирования уплотненного основания можно представить преобразованием графика " осадка-нагрузка" путем переноса центра координат в точку O|(ct0,î0), соответствующую осадке

¿с, которую получила поверхность грунта в результате уплотнения. При этом новые оси координат а,,.-;], в которых будет построена теоретическая кривая " осадка-нагрузка", получим поворотом перенесенных в новый центр координатных осей На угол ^, соответствующий Конечному касательному модулю деформации грунта природного сложения при осадке st. Этот модуль принимается теперь за начальный модуль деформации уплотненного основания. При этом график " осадка-нагрузка" в преобразованных осях координат (ст'.с?') будет соответствовать деформированию грунта с новым начальным модулем дбформацни. Для оценки достоверности предложенного метода прогнозирования осадки штампа на уплотненном основании^. было проведено сопоставление, результатов прогноза и фактических величин осадки при уплотнении грунта. Сравнение проводили для двух уровней напряжений 0,2 я 0,4 МПа. Было установлено, что для гладких кривых., не имеющих "срыва", графический метод дает запас, тем больший, чем дальше кривая осадка-нагрузка отстоит от точки преобразованных координат, иными словами теоретическая кривая более консервативна чем фактическая .

Экспериментальные исследования

Лабораторные экспериментальные исследования проводили на физических моделях в масштабе 1:5, 1:4 и технологических моделях в

.1+

масштабе 1:2. При физическом моделировании были исследованы эффективность штампующих ребер разной геометрии и определено количественное соотношение между радиальным и осевым давлением пространственного виброштампа,' влияние бытового давления и осадки поверхности фунтового основания в скважине на изменение несущей способности фунта, определена качественная картина изменения лороного давления при . виброштамиоваиип грунтового основания пол подоншон буровой сваи. При моделировании в масштабе 1:2 были определены критические параметры подвижности бетонной смеси и времени допустимого перерыва в беюнирова-. нии скважины. Измерено ос!точное напряжение в фунте под по-дошврй и но боковой поверхности уложенной бетонной смес^. Отформованные бетонные образцы были расколоты гидроклином,, что позволило, оценить качертво и структуру полученного бетона. Проведенные в лабораторных условиях модельные опыты позволили получить следующие результаты.

1. Поровое давление'при динамическом воздействии виброушютни-теля возрастаете 1,5 - 2,0 раза'по сравнению со статическим воздействием. Такое явление согласуется с выводами Лобасова, Анисимова (1961г), которые наблюдали разжижение фунта в зоне действия глубинного вибратора и предложили математически

моделировать грунтовую массу в.этой Зоне тяжелой вязкой жидкостью.

2. Наблюдения амплитудных значений порового давления дают возможность предположить наличие корреляционной связи между амплитудными значениями порового давления и изменением модуля деформации уплотняемого грунтового основания.

3. Результаты.штамповых испытаний грунта позволяют, заключить, что воздействуя на грунт забоя скважины, глубинный виброштамп уплотняет активную зону грунтового основания снижая де-формативность основания в 1,5-2,0 раза.

4. При физическом моделировании в масштабе 1:5 установлено, что виброорганы разной'формы в обрабатываемом массиве бетонной смеси вызывают ее интенсивное объемное разжижение. При этом интенсивность амплитудных значений динамического давления на боковую поверхность модели скважины постоянна по высоте виброоргана, поэтому за счёт вертикально направлен. ной возмущающей сшш, пределах объема, ограниченного контурами виброоргана имеет место штампование уплотняемого материала бесконечным числом плоских псевдоштампов. Это свидетельствует о том, что данное на основе теоретических исследований рабочему органу название "пространственный виброштамп"

подтверждается характером воздействия на уплотняемый материал.

5. Округлые утолщения активной поверхности ребер не приводят к существенному изменению качественной картины воздействия рабочего органа на уплотняемый материал, однако наличие утолщений приводит к возрастанию потерь при вибрации ( за счет большей инертной массы) и увеличения усилия , требуемого для извлечения виброоргана из уплотненного материала.

6. Передача вйбровоэдействия на бстонолитные трубы стандартных типоразмеров диаметром от 200 до 350мм, применяемых при бе-тононировании конструкций методом ВПТ, позволяет подавать на забой скважин бетонную смесь с ОК до 2,5см при этом во время вибрирования бетонолитной трубы бетонная смесь в скважине поднимается до максимально возможного уровня.

7. В случае технологического или аварийного перерыва в бетонировании возможно сохранение подвижности ("оживление") бетонной смеси, или возвращение ей способности разжижения и освобождения полай» бетонолитной грубы. Опышми установлено, что при потере бетонной смесью подвижности с (Ж 20 до ОК 2.5см. время "оживления" составляло 5,5час., при этом его возможность не была исчерпана.

Качество бетона, полученного виброштампованием характеризуется следующим. При извлечении вйброштампа из уплотненной бетонной смеси остаточные явления разрушения скелета бетона и образование пустот и щелей не обнаружены. При визуальном осмотре сечений изготовленных образцов установлено, что полученный массив достаточно однороден и не имеет видимых воздушных включений раковин и крупных пор. Плотность упаковки щебня возрастает ближе к подошве массива. В верхней части под действием вибрации образовался цементно песчаный слой 10-! 5% от общей высоты формуемого массива, по прочности не отличающийся от остального бетона. 9. Отмечен эффект воздействия внброштампуемой бетонной смеси на грунт дна и стенки модели скважины с частичной его деформацией и с сохранением остаточных напряжений в течении пяти суток после окончания бетонных работ.

В натурных условиях были проведены опытные работы по уплотнению грунтового основания буровых свай опоры №2 моста ч/р Чусовую в г. Перми и изготовлены виброштампованные сваи на строительной площадке Пристанное моста ч/р Волгу в г.Саратове.

На основе проведенных в Перми опытных работ были разработаны рекомендации по обеспечению несущей способности грун-

тового основания опоры №2 упомянутого моста. В настоящее время мост принят в эксплуатацию.

Оиышые работы в Саратове предусматривали изготовление двух свай, по традиционной гсхнологии, и с применением виброш-тампоиании. После изготовлении сваи были испытаны статическими на! ручками (осевой вдавливающей, выдергивающей и горизонтальной), Пыл проведен акустический контроль прочности бетона в спаях. II и отменные спаи Пыли извлечены из грунта, из их тела выбурили керны и провели испьпания бетона сваи на прочность, водонепроницаемость и морокктомкоегь: ¡'тулытты натурны х опытных работ

1. Глубинное инброшшмпование песчаного основания буровых скважин позволяет существенно (и 1,5-2,0 раза) повысить несущую способность основания буровых свай устраиваемых в несвязных грушах.

2. Наибольший эффект■ .глубинного 'виброуплотнения грунтового основания достигается при использовании пибровозбудгпеля с переменной частотой колебаний. Дли но| руления рабочего органа в толщу уплотняемого грунта наиболее приг одны высокочастотные вибравзбудителн. Для скорейшего достижения максимальной степени уплотнения- низкочастотные.

3. Результаты лабораторных экспериментов по уплотнению грунта в основании моделей буровых свай получили подтверждение в условиях строительства фундамента реальной опоры. По разработанным автором рекомендациям сотрудники Мостоотряда N9 123 уплотнили основание 6 пробуренных скважин и завершили строительство опоры.

4. Результаты лабораторных экспериментов по изготовлению бетонных образцов методом подводного глубинного виброштампования бетонной смеси получили подтверждение при сооружении натурных буровых свай. .

5. Прочность бетона буровой сваи, определенная неразрушающим методом и подтвержденная разрушающими испытаниями кернов не менее чем на 20% превосходит прочность бетона обычной сваи.

6. Бетон сваи, изготовленный с применением технологии подводного виброштампования укладываемой бетонной смеси. более плотный и имеет более высокие показатели по водонепроницаемости и морозостойкости ( МЗОО вмести М200 и (36 вместо 13-)).

7. Использование высокочастотно!" вибрации при перерывах в бетонировании позволяет поддержать достаточную подвижность уложенной бетонной смеси для того, чтобы в бегонолитной и обсадной трубах не образовывались пробки из потерявшей подвиж-

ность бетонной смеси. На практике такой перерыв удалось довести до 6 часов.

8. Сопротивление грунтового основания буровой сваи, изготовленной с виброштампованием укладываемой под воду бетонной смеси по боковой поверхности на 60%, по подошве на 26%, и » сумме на 35% превосходит соотвектвенно сопропшленне грунтового основания буровой сваи забетонированной меюдом НИ Г

Экономические покаштели

Результаты проведенных исслсдонашльских рабо|, п юм числе в условиях реального строит емьава позволяю! у веренно про: позировать следующие преимушеива применения 1 емю.вч цн внб-роштамповання бетонной смеси

1. Возможность бетонировании фундаменшыч консфукшш в зоне переменного промерзания без ожачки иолы, чю позволит сократить трудоемкое и. на сооружение сваи на 0,3-0,7чел.мес.

2. Экономия цемента в количестве 120-150 к1 м1 бе юна в деле.

3. Ликвидация брака при изготовлении свай свя занного с потерей бетонной смесью подвижности и образованием пробок в полости бетонолишой и обсадной труб

4. Ориентировочная стоимость комплекта оборудования в текущих ценах составляет порядка 0,5 млрд. руб. Стоимость изготовления буровой сваи при строительстве моста ч/р Волга в г. Волгограде составляет около 1млрд. руб., таким образом комплект оборудования окупится при сокращении 0,5 дайны сваи на общем объеме свай, не считая потерь от ликвидации возможного брака. .

Основные выводи по диссертации : Я уточнены коэффициенты условия работы по грунту и материалу

буровых свай при вибрационной укладке бетонной смеси в об-• водненные скважины

■ разработан графический метод прогноза осадки штампа при уп-. лотнении фунтового основания

В разработан технологический регламент сооружения буровых свай

с вибрационной укладкой бетонной смеси в обводненные сква-' жины

■ разработаны технические требования к оборудованию для вибрационной укладки бетонной смеси з обводненные скважины

Итоги

На основании выполненных исследований были разработаны комплекты рабочей документации на технологическое оборудование для устройства буровых свай с объемным' виброщтампованием бетонной смеси укладываемой под воду. В настоящее время изготовлены два вида опытных комплектов оборудования и проведены приемочные иеншаиия Ü ближайшее время планируется использование комплекта с расположением вибровозбудителя в верхней части бегонолжнои фубы при нзгошнленни б>ровых свай на объектах МКАД с rpoitRvii.c i ьо которых' ш >ручено Мое roo гряду № 19

Основные шиожашя диссертации и результат исследований изложены в следующих работах:

1. Смирнов А.Ю. О способах повышения несущей способности песков в основании буровых свай и свай- оболочек'..// Сб. науч. Тр. / ЦНИИС - 1988. Исследование и применение безростверко-вых опор мостов

М. Транспорт, с 74-77

2. Смирнов А.Ю. Принцип построения фафика "Осадка-нагрузка" ддя уплотненного песчаного основания / / Сб. науч. Тр. / ЦНИИС - 1988 : Транспортным сооружениям -высокое качество г С. 77-7.9.

3. Смирнов А.Ю., Захаров О.В., Бадеев А Н.. Выявление порового давления при виброуплотнении водонасышенного песчаного основания /"Метрострой"№8 1989. с.15-16.

4. Смирнов А.Ю. Экспериментальная проверка графоаналитического метода прогнозирования осадки буровых свай или свай-оболочек на уплотненном песчаном основании / / Сб. науч. Тр. / ЦНИИС - 1991: Разработка конструкций малых и средних мостов - С. 44 - 45.

5. Смирнов А.Ю. Панин И.А. и др. Сооружение буровых свай с объемным виброштампованием укладываемой бетонной смеси // Транспортное строительство - 1997. - №2 - С. 19-23: пл.

6. Положительное решение о выдаче патента № 96103512/03(006786) от 04.03.96

7. Положительное решение о выдаче патента №96103511/03(006788) от 04.03.96

8. Смирнов А.Ю. Новая технология бетонирования буровых свай // Сборн.докл /13-19 октября 1996 ДУ1Щ г.Паелевск-1996: Технология работ и контроль качества содержания ремонта, реконструкции и строительства мостовых сооружений -е.54-64.