автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Влияние грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждений котлованов в условиях городской застройки

' (¿¿-^ ^ На правах рукописи

005051892

ЛАНЬКО Сергей Владимирович

ВЛИЯНИЕ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ОГРАЖДЕНИЙ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 Р ДПР ^13

Санкт-Петербург 2013

005051892

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре геотехники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мангушев Рашид Абдуллович

Официальные оппоненты: Парамонов Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петербургский университет путей сообщения», профессор кафедры «Основания и фундаменты»;

Татаринов Сергей Викторович,

кандидат технических наук, ООО «Бюро экспертизы и совершенствования проектных решений», г. Санкт-Петербург, генеральный директор

Ведущая организация: ООО «СК «Подземстройреконструкция»,

г. Санкт-Петербург

Защита состоится 9 апреля 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний (ауд. 219).

Тел./факс: 8 (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « Ь » vM-fr^A- 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, ■

профессор ——Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

В связи с интенсивным развитием строительной техники и технологий, расширение городов и мегаполисов происходит как «вверх» (увеличение этажности зданий) так и «вниз» (активное использование подземного пространства). Строительство новых зданий производится не только на незастроенных территориях, но и в условиях городской, исторически сложившейся застройки. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга освоение подземного пространства всегда является сложной задачей, поскольку с поверхности и до глубины порядка 20^10 м залегают слабые водонасыщенные пылевато-глинистые грунты. Особенностью указанных грунтов является проявление тиксотропных свойств - при техногенном воздействии такие грунты переходят в текучее состояние, и приобретают свойства вязкой жидкости. Угол внутреннего трения и сцепление таких грунтов становятся близким к нулю, что ведёт за собой увеличение активного давления на ограждение котлована более чем в 2 раза.

Как установлено практическим опытом, зона влияния нового строительства на здания окружающей застройки составляет 30 м и более, таким образом, одним из требований к проекту ограждения котлована должны быть требования по деформативности конструкции ограждения, так как дополнительные осадки зданий окружающей застройки в основном зависят от горизонтальных деформаций конструкции ограждения котлованов. В сложных инженерно-геологических условиях одной из причин возникновения значительных горизонтальных перемещений ограждений котлованов может служить расструктуривание грунтов при вибрационном воздействии. Расструктуренные грунты могут в некоторых случаях приобретать вид вязкой жидкости, что в свою очередь приводит к увеличению активного давления на подпорную стенку. В этом случае следует предусматривать устройство превентивных мероприятий по закреплению основания существующих фундаментов, либо выбор «щадящей» технологической схемы производства работ.

В последние годы в крупных городах, в частности в Санкт-Петербурге, строятся здания с развитым подземным пространством, что требует устройства котлованов большой глубины и объёмов. Ограждение таких котлованов может быть выполнено (на основе технико-экономического расчёта) с использованием различных конструкций и технологий, в том числе ранее мало применяемых.

К таким ограждениям относятся и конструкции, выполненные из грунтоце-мента по технологии струйной цементации. Учёт работы таких конструкций при вскрытии котлована, в том числе в случае необходимости увеличения жёсткости уже существующих ограждений из металлического шпунта является актуальной и малоисследованной задачей проектирования подземных сооружений. При этом также необходимо учитывать воздействие струйной технологии на окружающий массив грунта и подземную часть сооружения в целом.

Степень разработанности темы исследования.

Как показывает опыт строительства в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и городской застройки, одной из причин возникновения дополнительных деформаций существующей застройки вблизи котлованов является развитие горизонтальных перемещений ограждения котлованов. Влияние устройства котлованов в условиях городской застройки отражено в работах Н. С. Никифоровой, В.В. Семенюк-Ситникова, В.А. Ильичева, O.A. Шу-лятьева, P.A. Мангушева, И.В. Колыбина, В.П. Петрухина, O.A. Мозгачевой, В.М. Улицкого, С.И. Алексеева, В.А. Васенина, П.А. Коновалова, Burland J. В., Standing J. R., Jardine F. M., Moormann Ch., Moormann H. R. и др. Методы расчёта ограждений котлованов аналитическими и численными методами, а также применимости различных моделей поведения грунтов достаточно широко освещены в работах многих исследователей (А. Я. Будин, Г. К. Клейн, В.Н. Парамонов и др.).

Н.С. Никифоровой (2008) разработана методика расчёта осадок зданий окружающей застройки с учётом различных факторов, в том числе типа ограждающей конструкции. По ее предложениям, зависимость дополнительных перемещений ограждения котлована может быть выражена в общем виде следующим образом: sàon = (0,5..2,0 )-игор. Очевидно, что для снижения деформаций

зданий существующей застройки вблизи глубоких котлованов следует выбирать конструкции ограждения с высокими жесткостными характеристиками, либо предусматривать распорную или анкерную системы, с той целью, чтобы минимизировать горизонтальные перемещения ограждения. Н.С. Никифоровой разработана методика расчёта осадок зданий окружающей застройки с учётом различных факторов, в том числе типа ограждающей конструкции.

Одним из эффективных методов снижения горизонтальных деформаций может служить применение технологии струйной цементации, как для устройства грунтоцементных ограждений, так и для закрепления грунтов с внешней стороны ограждения и ниже дна котлована. Так, в работах В.А. Ильичёва и Ю.А. Готмана (2011) предложен следующий метод снижения горизонтальных деформаций ограждений котлованов: с внешней стороны ограждения котлована устраиваются грунтоцементные массивы, размеры которых определяются исходя из разработанного автором алгоритма. Грунтоцементные массивы располагаются в зонах с наибольшими деформациями грунтового массива, получаемыми по расчёту. Указанные грунтоцементные массивы снижают горизонтальные перемещения за счёт закрепления грунта и за счёт перераспределения активного давления между ограждением и грунтоцементными массивами.

В практике строительства также часто применяются горизонтальные диафрагмы (распорные диафрагмы), устраиваемые ниже дна котлована. Как правило, такие диафрагмы в большинстве случаев используются в качестве противо-фильтрационных завес, тогда как распорные конструкции по исследованиям А.Г. Малинина (2009) практически не «работают».

Анализ литературных источников и опытных данных показывает, что при проектировании и устройстве грунтоцементных ограждающих конструкций, как в «чистом виде», так и комбинированного типа, существует ряд проблем, требующих проведения экспериментально-теоретических исследований:

Геометрические размеры конструкций, как правило, назначаются ориентировочно и уточняются после проведения опытных работ. Можно выделить две методики теоретического определения диаметра грунтоцементной сваи. Первая учитывает гидродинамические особенности струи и зависит от большого числа параметров (И.И. Бройд, 2004) (давления подачи раствора, скоростей подъёма и вращения монитора, диаметров насадок, плотности раствора и др.). Вторая методика основывается на зависимости диаметра размываемой полости от характеристик грунта (удельного сцепления) и некоторых технологических параметров струйной цементации (А.Г. Малинин, 2010) - давление подачи и расход раствора, скорость подъёма монитора.

Физико-механические характеристики грунтоцемента: в связи с большим разбросом значений прочностных характеристик при испытании возникает ряд вопросов: какие значения следует принимать в расчётах при наличии испытаний? Является ли грунтоцементная конструкция сплошным и однородным телом (квазиоднородным)?

Методика определения прочности грунтоцемента рассмотрена в работе A.B. Чернякова (2011), где автор предлагает прочность грунтоцемента определять как прочность бетона на песчаном заполнителе (раствора) с учётом некоторых допущений.

Однако основной проблемой при определении прочностных характеристик грунтоцемента является точная оценка количества цемента, содержащегося в единице объёма обработанного грунта.

Указанная методика справедлива при обеспечении сплошности всей конструкции, так как при устройстве грунтоцементных конструкций зачастую не обеспечивается сплошность, т. е. в составе грунтоцемента возможны включения необработанного грунта.

Обеспечивается ли совместная работа и следует ли учитывать характеристики грунтоцемента в составе такой конструкции? Насколько эффективная такая конструкция?

Цель и задачи исследования.

Цель исследования — оценка влияния грунтоцементных конструкций, выполненных по технологии струйной цементации, на деформируемость ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов; разработка рекомендаций по проектированию грунтоцементных ограждающих конструкций глубоких котлованов в условиях городской застройки и слабых грунтов.

Объект исследования - грунтоцементные конструкции в составе ограждения комбинированного типа.

Предмет исследования — напряженно-деформированное состояние ограждения комбинированного типа в составе грунтового основания.

Задачи исследования:

1) проведение обработки и обобщения экспериментальных данных для оценки изменения характеристик окружающего массива грунта при применении технологии струйной цементации;

2) обоснование эффективности применения вертикальных грунтоцемент-ных конструкций в составе ограждения комбинированного типа численными методами;

3) проведение обработки и анализа результатов лабораторных испытаний механических характеристик грунтоцемента, полученного при применении технологии струйной цементации, для оценки их влияния на деформируемость ограждения котлована;

4) сопоставление результатов численного моделирования и натурных измерений горизонтальных перемещений ограждения котлована;

5) разработка рекомендаций по применению ограждения комбинированного типа (с учетом грунтоцементных конструкций) в условиях слабых пылева-то-глинистых грунтов при устройстве глубоких котлованов.

Научная новизна исследования:

1) теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций;

2) на основе экспериментальных данных определена зона влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве вертикальных грунтоцементных элементов;

3) по результатам статистической обработки испытаний грунтоцементных образцов получены зависимости для оценки расчётных механических характеристик грунтоцемента;

4) натурными экспериментами подтверждена эффективность применения грунтоцементных конструкций при устройстве ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработаны принципы проектирования ограждений комбинированного типа, выполненных с применением грунтоцементных конструкций, при устройстве глубоких котлованов в условиях городской застройки; предложена методика назначения механических характеристик грунтоцемента. Результаты исследования позволили в оперативном режиме увеличить жёсткость уже готового шпунтового ограждения при устройстве котлована большого объёма и обеспечить сохранность зданий окружающей застройки.

Результаты работы внедрены в учебный процесс и получили частичное отражение в учебном пособии для студентов строительных вузов «Методы подготовки и устройства искусственных оснований».

Методология и методы исследования.

Методы исследования:

1) анализ литературных источников по устройству ограждений котлованов с применения технологии струйной цементации;

2) оценка влияния параметров грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения котлована с применением численных методов;

3) численное моделирование напряжённо-деформированного состояния ограждения котлована в условиях городской застройки (на примере реального объекта строительства в г. Санкт-Петербург);

4) проведение натурных экспериментов по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта и по определению механических характеристик грунтоцемента на площадке строительства;

5) анализ данных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения на экспериментальной площадке;

6) сопоставление результатов проведённых экспериментов с результатами численного моделирования.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твёрдого и деформируемого тела, математической статистики; обеспечивается достаточным объёмом экспериментальных исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных и оборудовании, а также внедрением результатов работы на реальном объекте.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на четырёх научно-технических конференциях (СПбГАСУ, 2009-2012) и получили отражение в семи научных публикациях, две из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 116 наименований, и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц машинописного текста. Работа содержит 96 рисунков и 10 таблиц.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, её научной новизне, установленной практической значимости диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 -Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 7 «Разработка новых методов расчёта, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций»; пункту 10 «Разработка научных основ и основных принципов обеспечения безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и др.».

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

В проведенных исследованиях рассматривается следующий вариант снижения горизонтальных перемещений ограждения котлована: с внешней стороны существующего шпунтового ограждения устраиваются грунтоцементные секущиеся сваи, которые армируются несущими элементами. Секущиеся сваи должны обеспечивать сплошность всей конструкции (рис. 1). За счёт устройства таких конструкций происходит увеличение жёсткости всего ограждения, что актуально при возникновении значительных горизонтальных деформаций существующего ограждения в условиях городской застройки.

Шпунт

а а а а а а а . „

ГЦС

Армирующий элемент

Рис. 1. Конструктивное решение ограждения комбинированного типа: ГЦС - грунтоцементные сваи; В - условная толщина ограждения;

Ь - шаг рядов ГЦС; а — шаг свай в ряду и шаг армирующих элементов

Теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций. Для оценки влияния грунтоцементных конструкций (ГЦК) на деформируемость ограждения комбинированного типа были проведены расчёты численными методами. С этой целью были решены несколько задач с помощью численного моделирования при различных переменных параметрах грунтоцементных конструкций: длины Ящк и условной толщины Вщк грунтоцементной конструкции.

В первой задаче рассматривалось одноанкерное ограждение комбинированного типа, расчётная схема которого представлена на рис. 2, а, б. Инженерно-геологические условия приняты как характерные для центральной части г. Санкт-Петербург, представленные слабыми водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами большой мощности (см. с. 13-14).

В расчётах диаметр грунтоцементных конструкций был принят как наиболее характерный размер, получаемый в условиях пылевато-глинистых грунтов (0,7 м). Шаг свай назначается таким, чтобы обеспечивалась сплошность всего ограждения. При принятом диаметре свай их шаг в ряду равен 0,5 м, шаг рядов свай - 0,4 м. Переменность толщины грунтоцементных конструкций обеспечивается путём увеличения числа рядов свай.

а) в)

Рис. 2. Расчётная схема (а), сечение (б) ограждения комбинированного типа и расчётная схема в виде условной балки (в): ГЦК - грунтоцементные конструкции; Нк - глубина котлована; Нгцх - длина грунтоцементных конструкций; Вгцк-толщина грунтоцементных конструкций;

В - толщина условной балки

Расчёт конструкций такого типа выполнялся следующими методами:

1 .При расчётах с помощью методов численного моделирования шпунтовое ограждение и армирующий элемент моделируются элементами типа «плита», пространство между ними моделируется грунтом с условными характеристиками грунтоцемента.

2.В случае, когда характеристики грунтоцемента неизвестны или расчёт производится аналитическими методами, грунтоцемент между шпунтом и армирующим элементом рассматривается лишь как матрица, обеспечивающая позиционирование несущих элементов, при этом сечение ограждающей конструкции рассматривается как условная балка с условными характеристиками (рис. 2, в).

Геометрические характеристики условной балки (пог. м.) приняты:

а) площадь поперечного сечения:

A = 2-Ar)a + A,iw; (1)

б) момент инерции поперечного сечения:

1 = (2-А0в + АШ„)-И2 . (2)

Положение нейтральной оси такой балки вычислялось стандартными методами строительной механики и сопротивления материалов. При этом геометрические характеристики шпунта и армирующих элементов принимать равными, так как положение нейтральной оси в этом случае будет находиться посередине условной балки.

Поскольку рассмотренные задачи решались численными методами с использованием программного комплекса РЬАХК у8 (в плоской постановке задачи), то ограждение моделировалось по 1-й схеме, т. е. с учётом характеристик грун-тоцемента. Грунтоцемент рассматривался как материал «грунт» с условными характеристиками - Е = 450 МПа (проектное значение модуля деформации), с = 1000 кПа (проектное значение прочности грунтоцемента), ф = 35°.

Ширина ограждения принималась равной 0,8, 1,2 и 1,6 м, что соответствует 2, 3 и 4 рядам грунтоцементных свай. Глубина котлована Нк принята равной 10 м, заглубление шпунта Ншп= 2Нк (в соответствии с рис. 2, а).

•л

а) б)

Рис. 3. Графики зависимостей горизонтальных перемещений ограждения от толщины грунтоцементных конструкций (а) и максимального относительного горизонтального перемещения [Д] от толщины вертикальной грунтоцементной конструкции (б)

Результаты проведённых расчётов представлены в виде графиков перемещений шпунтового ограждения (рис. 3, а) и зависимости максимального относительного перемещения ограждения [А] = <5тах///А (мм/м) от толщины ограждения Вгцк (рис. 3, б).

Зависимость относительного максимального перемещения от толщины ГЦК, полученная по результатам аппроксимации, может быть выражена следующим

образом: [А] = 1,9 ■ (ВщкУ°'6 ■

Из приведенных графиков следует, что применение грунтоцементных конструкций позволяет увеличить жесткость ограждения, при этом снижение горизонтальных перемещений практически пропорционально увеличению толщины ограждения. Наиболее оптимальное значение ширины ограждения комбинированного типа составляет 1,2... 1,6 м, т. е. 2...4 ряда грунтоцементных свай для котлованов, глубиной до 10-12 м.

Для оценки влияния длины грунтоцементных конструкций рассматривалась задача с различными значениями высоты грунтоцементных конструкций (свай): 10, 12, 14 и 16 м, что соответствует относительным величинам (1; 1,2; 1,4; 1,6)*Нк. Результаты расчёта представлены на рис. 4.

Iltp* чгтгнпя. мм

0 S 10 15 20 25 30 35 3.4

а) б)

Рис. 4. Графики зависимостей горизонтальных перемещений ограждения от длины ГЦК (а) и максимального относительного горизонтального перемещения [Д] от относительной длины ГЦК (б)

Так как в одноанкерной подпорной стенке максимальные перемещения происходят вблизи или ниже дна котлована, то в этом случае необходимо обеспечить заделку грунтоцементных конструкций и армирующего элемента в грунты ниже дна котлована, т. е. при минимальной длине ГЦК Нгцк = 1,2Нк.

Для апробации предложенной методики были произведены соответствующие расчёты реального объекта, площадка строительства которого находилась в центральной части г. Санкт-Петербург. Ограждение котлована, размером 82><67х 159х 158 м, было выполнено в виде шпунтового ограждения Arcelor AU 18. Площадка строительства находится в условиях городской застройки, ближайшие здания располагались на расстоянии 15 м. Для снижения опасных горизонтальных деформаций шпунтового ограждения и увеличения его жесткости, с внешней стороны котлована были выполнены грунтоцементные конструкции (сваи) (рис.2).

а) б)

Рис. 5. Конечно-элементная (а) и расчётная схема (б) котлована

Расчёты производились с учётом постадийности возведения подземной части объекта, в соответствии с принятым проектом организации строительства.

Устройство подземной части объекта выполнялось методом «top-down», в качестве распорок служили межэтажные перекрытия. Ниже дна котлована (в отметках-12,3...-14,3 м), под плитой основания выполнена грунтоцементная диафрагма, толщиной 2-2,5 м. Расчёт произведен для 4 расчётных схем ограждения: расчёт только шпунтового ограждения (задача 1); расчёт ограждения по методу условной балки (задача 2); расчёт ограждения с учётом характеристик грун-тоцемента (задача 3); расчёт ограждения с учётом характеристик грунтоцемента и с учётом изменённых характеристик окружающего массива грунта (задача 4).

Результаты расчёта представлены на рис. 6, а для последней стадии устройства котлована. Проведённые расчёты показали, что при устройстве ограждений комбинированного типа с применением грунтоцементных конструкций, происходит увеличение жёсткости ограждения, что позволяет снизить максимальные горизонтальные перемещения в 3-5 раз по сравнению с ограждением из металлического шпунта.

На основе экспериментальных данных определена зона влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве вертикальных грунтоцементных элементов. На площадке строительства рассматриваемого объекта были проведены исследования по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта.

Строительная площадка находилась в центральной части Санкт-Петербурга с характерными инженерно-геологическими условиями, которые представлены слабыми водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами: насыпным слоем (ИГЭ-1); озёрно-морскими песками пылеватыми (ИГЭ-2) и суглинками пы-

Пгрмешения. мм Перемещение, мм

О 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60

о | | 0 I \

7 II/ —Задача 1 .7

8 1| /---Задача 2 -X

9 ! 111 —Задача 3 "9

10 Ш--- _ _ -10

7 в 11 — Задача 4 *

- " Г 111 " '"

1 12 - --"I--М.......;.....;...........; в -12

Л-13 ~ ТП [ 15 -13

14 4----------14

15 4---[11--------15

16 \—!—— -16

18 +- -1-|1 Г~

19 1--Г Я "|9

20 ---1-Е-----к- -20

21 -Мч-и!-----и- .21

22 -22 а) б)

Рис. 6. Совмещённый график изогнутых осей ограждения для 4-х схем расчёта (а) и сравнительный график расчётных и экспериментальных величин горизонтальных перемещений ограждения котлована (б): 1 - расчет с учётом характеристик грунтоцемента; 2 - расчёт по методу условной балки (без учёта характеристик грунтоцемента); 3 - ИК №5; 4 - ИК №7; 5 - ИК №15

леватыми текучими (ИГЭ-3); озерно-ледниковыми суглинками пылеватыми, ленточными, текучими (ИГЭ-4); ледниковыми супесями пылеватыми (ИГЭ-5), суглинками лёгкими пылеватыми тугопластичными (ИГЭ-6), суглинками легкими пылеватыми полутвердой консистенции (ИГЭ-7). Указанные грунты подстилаются коренными отложениями вендского комплекса верхнекотлинской подсви-ты, представленными пылеватыми глинами. Следует отметить, что грунты ИГЭ-2...ИГЭ-4 обладают тиксотропными свойствами.

На рис. 7 представлена схема расположения опытных площадок, где проводилось статическое зондирование фунтов основания с помощью малогабаритной установки GEOTECH RIG 204D, оборудованной беспроводным зондом типа II (по ГОСТ 19912-2001)' с целью оценки влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве грунтоцементных конструкций.

1 Эксперимент проводился НПК ЦГТ СПбГАСУ под руководством д.т.н., проф. Мангушева P.A., с.н.с. Ошуркова Н. В. и при участии автора в рамках научно-технического сопровождения строительства подземной части объекта.

vx УЬибвяят

1 ...5 п - обозначение зон и участков котлована; Пл. N1..3 - номера опытных площадок

На 3 опытных площадках было произведено от 6 до 10 пунктов зондирования: площадка № 1 (10 пунктов зондирования) находилась на расстоянии 0,3 м от внешней грани ограждения; площадка №3 (8 пунктов зондирования) - на расстоянии 2,3 м от внешней грани ограждения; площадка №3 (6 пунктов зондирования) - на расстоянии 25 м от ограждения котлована, во дворе дома по Минскому пер. Точки зондирования располагались вдоль ограждения на расстоянии друг от друга 1,0 м.

Критерием при оценке изменений свойств грунтов были приняты результаты статического зондирования грунтов основания, выполненные до начала работ по устройству ограждения и откопки котлована

Контроль неизменности вида грунта производился с помощью номограммы Робертсона (Robertson at all, 2001).

Результаты обработки данных зондирования представлены в графическом (в виде графиков параметров зондирования) и табличном виде.

Сред*« удельное сопротивление груша под наконечником (конусом) юн л а (¡с. МПа

0 1 2 3 4 5 6 7

* I

1:

и I 16

17

18

19

20 21 22

23

24

25

26

Срим >дмьное слпроппмгшк' грима по муфте (ргмия шн Гч, кШ

0 10 20 50 40 50 60 70 80

0

1

2

3

4

5

6 7

9

10 11 12

*

а 13

I'4

- 15 16

17

18

19

20 21 22

23

24

25

26

ЦП

НЯШК'ШШЯШК I рун пж

Наемной! рмп (ИГЭ-1)"

Пески iii i.icnau.ie.

тыонасищснкыс. ср. илшносш (ИГМ)

Суглинки пылемте текучие

(11ГЭ-.3)

Суглинки нылсшгше ленточные текучие (ИПМ)

С\1ГеСН ПМЛС1Ш11ЛС илисшчные (ИГ15)

См ЛИ11КН ЛСГКИС

иы {сводос тутотастичиые

(ИГЭ-б)

Суглинки легкие пилевотме

полутвердые (И"Э-7)

а) б) в)

Рис. 8. Сравнительные графики исходных параметров зондирования и значений,

полученных для опытных площадок: а —удельное сопротивление под конусом, б —удельное сопротивление по муфте трения;! - исходные значения; 2 — значения, полученные на площадке № 1: 3 - значения, полученные на площадке №2; 4 - значения, полученные на площадке №3

Результаты эксперимента показали, что в зоне равной 2...2,50, где О - диаметр грунтоцементной сваи, происходит увеличение механических характеристик (модуля деформации и сцепления) окружающих грунтов в среднем на 20-30 % по сравнению с исходными значениями. В результате устройства грунтоцементных конструкций (вертикальной «стены в грунте») по технологии струйной цементации наибольшему воздействию подверглись слабые грунты, залегающие на глубинах от 4,2 м до 15,0 м (суглинки пылеватые текучие, суглинки пылеватые ленточные текучие, супеси песчанистые с гравием пластичные, суглинки легкие пылеватые тугопластичные). Проверка неизменности вида (его наименования) грунта по диаграмме Робертсона показала, что исследуемые

грунты соответствуют исходным показателям, т.е. изменение вида (наименования) не установлено.

Таблица 1

Сводная таблица значений характеристик грунтов

№ игэ Параметр Исходные данные Площадка №1 Площадка №2 Площадка №3

2 (о, град. 29 30 30 29

с, кПа 0 0 0 0

Е, МПа 12,0 16,0 14,4 12,0

3 <р, град. 15 16 16 15

с, кПа 20,0 23,0 23,0 20,0

Е, МПа 7,0 9,0 10,0 7,0

4 ¡р, град. 10 10 10 10

с, кПа 17,0 23,2 20,5 17,0

Е, МПа 3,5 10,0 7,0 3,5

5 р, град. 25 25 25 25

с, кПа 25,0 34,0 27,0 25,0

Е, МПа 9,3 11,5 9,8 9,3

6 <р, град. 25 26 25 25

с, кПа 25,0 43,0 30,0 25,0

Е, МПа 9,3 15,0 9,6 9,3

7 град- 26 25 26 26

с, кПа 35,0 35,0 36,0 35,0

Е, МПа 12,0 12,0 12,0 12,0

Увеличение механических характеристик грунтов при устройстве грунто-цементных конструкций происходит за счёт эффекта «клакажа» - инъекции части раствора в окружающий массив грунта при кратковременной закупорке скважины изливающейся пульпой. Излив пульпы происходит через пространство между стенкой скважины и штангой буровой колонны, которое зачастую закупоривается пульпой вязкой консистенции. Вследствие этого давление в размываемой полости повышается, и происходит гидравлический разрыв грунта с образованием трещин, которые заполняются раствором. В результате окружающий грунт представляет собой массив, армированный прослойками из цементного раствора (рис. 9). Данное явление является побочным эффектом технологии струйной цементации, однако оно происходит практически всегда при производстве работ, особенно в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов, а также при устройстве диафрагм ниже дна котлована, что необходимо учитывать при производстве работ.

По результатам статистической обработки испытаний грунтоцементных образцов получены зависимости для оценки расчётных механических характеристик грунтоцемента.

Для оценки сплошности и механических характеристик грунтоцементных конструкций на площадке проводился отбор образцов грунтоцемента из тела вертикальных грунтоцементных конструкций по периметру ограждения и из тела горизонтальной диафрагмы, после чего были произведены лабораторные испытания образцов на прочность.

Рис. 9. Схема возникновения эффекта «клакажа» (а) и армированный массив вышележащего грунта при устройстве диафрагмы ниже дна котлована (б)

Отбор кернов производился с отметки —4,00 м, что соответствует залеганию песков пылеватых (общее количество 250 шт.) и с отметок—11,00 и-12,00 м, что соответствует залеганию слабых суглинков текучих и супесей пластичных (общее количество 288 шт.). Керны выбуривались длиной в среднем 1,5 м, выход кернов составил 95 %, что свидетельствует о сплошности конструкции. Полученные значения прочности грунтоцемента имели достаточно большой разброс (от 0,3 МПа до 28,8 МПа), вследствие чего производилась статистическая обработка результатов.

В итоге были определены значения прочности для расчётов по первой и второй группам предельных состояний. Для расчётов по первой группе значение прочности грунтоцемента на сжатие составило: для песков пылеватых — Р = 4,7 МПа; для суглинков и супесей - Р,= 4,4 МПа. Для расчётов по второй группе: для песков пылеватых - Яп = 7,9 МПа, для суглинков и супесей -Я = 7,0 МПа. Результаты статистической обработки испытаний грунтоцемента показали, что в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов прочность грунтоцемента практически не зависит от вида грунта.

Так как фактические значения прочности отдельных образцов грунтоцемента на сжатие имели достаточно большой разброс, то назначение проектных величин прочности рекомендовалось производить по следующей методике: назначалось требуемое (проектное) значение прочности грунтоцемента на сжатие /? , далее по формулам (3), (4) определялось значение доверительной вероятности Р, которое соответствовало проектному значению прочности. На графике рис. 10 для наглядности представлено вероятностное распределение прочности грунтоцемента на сжатие. Так, вероятность получения минимальной прочности на сжатие /?пр= 4,0 МПа составляет Р = 0,85, и таким образом это значение прочности можно использовать для расчётов по /1-й группе предельных состояний.

Р = 1 — (0,02...0,03) - Я/, (3)

Р = 1-(0,03-0,05)-Я//. (4)

Кг1,0 н>1,5 Яг2,0 ¡И,5 ИгЗ.О 1*23,5 К"4,0

Проектная (требуемая) прочность грунтоцемента на сжатие, Япр, МПа

Рис. 10. Осреднённый график вероятностного распределения прочности грунтоцемента на сжатие (для песков пылеватых, суглинков текучих и супесей пластичных)

В большинстве случаев устройства грунтоцементных свай при их контрольных испытаниях определяется значения прочности на сжатие, однако при расчёте грунтоцементных ограждений котлованов немаловажную роль играет модуль деформации грунтоцемента. С целью определения значений модуля деформации грунтоцемента для части грунтоцементных образцов (в количестве 250 шт.) помимо показаний прочности на сжатие фиксировались соответствующие им значения модуля деформации. Так как прочность грунтоцемента напрямую зависит от содержания цемента в объёме обработанного грунта, то очевидно, что и модуль деформации будет также зависеть от количества цемента, т. е. от прочности на сжатие.

В результате испытаний образцов были получены значения прочности грунтоцемента и соответствующие им значения модуля деформации. Так как в данном случае рассматривается показатель прочности на сжатие, то вид грунта не имеет особого значения. С целью определения зависимости модуля деформации грунтоцемента от его прочности на сжатие построен график, представленный на рис. 11. По результатам линейной интерполяции получено выражение, описывающее указанную зависимость:

Е = (90... 100) - Ясж (5)

Данная зависимость справедлива практически для всех типов грунтов, за исключением крупнообломочных (гравийно-галечниковых) и крупнозернистых песков, так как в них, помимо содержания цемента, существенное влияние на

1200

♦

1000 . ■ уг'

Е.Л о »

600

ф » ^ ф ф .

А Ф * ♦ ♦« Ф

* * ф

0 5 _ .„ 10 15 20

И, Ша

Рис. 11. График зависимости модуля деформации грунтоцемента от прочности на сжатие

показатели прочности и деформируемости грунтоцемента оказывают также и исходные агрегаты (твёрдые частицы). Если провести аналогию с бетонами, то следует грунтоцемент разделять как минимум на два типа: грунтоцемент -материал, получаемый в пылевато-глинистых грунтах, за исключением торфяных грунтов, аналог цементного (цементно-песчаного) раствора, и грунтобетон - материал, получаемый в средне- и крупнозернистых песках и крупнообломочных грунтах, аналог обычных и мелкозернистых бетонов.

Исходя из полученных выше зависимостей, можно сделать следующие выводы:

а) при устройстве грунтоцементных конструкций в условиях разнородного напластования слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов значения прочности грунтоцемента на сжатие практически не зависит от вида грунта, так как большая часть грунта выносится на поверхность в составе пульпы; агрегаты нижележащих слоев грунта при выходе на поверхность вместе с пульпой перемешиваются с вышележащими обрабатываемыми слоями, и таким образом тело сваи получается практически однородным по составу (по высоте сваи), что в своё время отмечено Малининым А.Г. (2009). Фактически прочность грунтоцемента получается приблизительно равной прочности цементного камня при заданном водоцементном отношении;

б) для слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов модуль деформации грунтоцемента находится в линейной зависимости от его прочности на сжатие (с точностью, необходимой для инженерных расчётов) в пределах получаемых величин прочности.

Натурными экспериментами подтверждена эффективность применения грунтоцементных конструкций при устройстве ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов.

Для сравнения расчётных величин горизонтальных деформаций с натурными данными, был проведён анализ инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения строительной площадки. Наблюдения за горизонтальными перемещениями ограждения котлована объекта производились с помощью инклинометрических колонн, которые были установлены по периметру котлована. Данные наблюдений представлены за период экскавации грунта до отметки дна котлована (-12,0 м). На рис. 6, б представлен сравнительный график натурных данных приращений деформаций за период экскавации грунта по шести инклинометрическим колоннам и расчётных величин для схемы с учётом характеристик грунтоцемента (задача 3) и без учёта характеристик грунтоцемента (задача 4) по схеме условной балки.

Приведённые материалы исследования показали, что измеренные горизонтальные перемещения ограждения не превысили расчётных значений, что позволяет сделать вывод об эффективности применения ограждения комбинированного типа. При этом расчёт таких конструкций можно производить по методу условной балки. Расчёт ограждений комбинированного типа с учётом характеристик грунтоцемента следует проводить при наличии данных о механических характеристиках грунтоцемента, полученных непосредственными испытаниями.

Проведённые исследования позволили разработать рекомендации по применению, проектированию и расчёту ограждения комбинированного типа с использованием грунтоцементных конструкций.

Такие конструкции рекомендуется применять для ограждения глубоких котлованов вблизи зданий существующей застройки или для увеличения жёсткости существующего ограждения в ситуациях, связанных с возможным развитием значительных горизонтальных перемещений шпунтового ограждения. Решение о необходимости устройства грунтоцементных конструкций необходимо принимать на основе технико-экономического анализа, а также на основе геотехнического обоснования.

Основными параметрами ограждения комбинированного типа являются толщина и длина грунтоцементных конструкций. Толщина грунтоцементных конструкций определяется исходя из расчёта по предложенной методике, при этом следует учитывать диаметр грунтоцементной сваи, получаемый в конкретных инженерно-геологических условиях. Шаг свай в составе ограждения следует назначать таким, чтобы обеспечить сплошность ограждения как в плане, так и по глубине. Армирующие элементы рекомендуется подбирать таким образом, чтобы на погонный метр ограждения их геометрические характеристики были равны геометрическим характеристикам шпунтового ограждения.

Длина грунтоцементных конструкций назначается исходя из расчёта, при этом следует обеспечить заделку грунтоцементных свай ниже дна котлована.

Рекомендуемое минимальное значение заделки ниже дна котлована составляет 1,2Нк, где Нк - глубина котлована.

При расчёте ограждений в условиях слабых грунтов возможно учитывать увеличение характеристик окружающих грунтов в среднем на 20-30 %, на расстоянии 2-2,5Б, где Б - толщина грунтоцементной конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе результатов численного моделирования установлено, что применение грунтоцементных конструкций в составе существующего ограждения позволяет увеличить жёсткость ограждения и снизить горизонтальные перемещения ограждения в 2-3 раза по сравнению со шпунтовым ограждением.

2. В случаях, когда характеристики грунтоцемента не известны, расчёт ограждений комбинированного типа возможно производить без учёта механических характеристик грунтоцемента, т .е. грунтоцемент можно рассматривать как матрицу, которая обеспечивает позиционирование несущих элементов (шпунта и армирующих элементов) в теле условной балки.

3. На основе проведённых полевых экспериментов установлено, что при устройстве грунтоцементных конструкций с применением технологии струйной цементации в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов механические и деформационные характеристики окружающего массива грунта увеличиваются на 25-30 % по сравнению с исходными характеристиками. Повышение характеристик грунтов происходит за счёт эффекта «клакажа» - инъекции части раствора в окружающий массив при кратковременной закупорке скважины изливающейся пульпой. Изменение характеристик наблюдается на расстоянии 2...2,50 (Б - толщина конструкции) от грани ограждения, что рекомендуется учитывать в расчётах.

4. По результатам статистической обработки лабораторных испытаний образцов грунтоцемента определены значения прочности на сжатие для расчётов по первой и второй группам предельных состояний, а также зависимость модуля деформации грунтоцемента от его прочности на сжатие. Указанные значения и зависимости получены для песков пылеватых, супесей пластичных и суглинков текучих, характерных для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга.

5. Установлено, что в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов прочность на сжатие грунтоцемента не зависит от вида грунта, что обусловлено выносом большей части агрегатов грунта на поверхность грунтоцементной пульпой. Значения прочности грунтоцемента практически равны прочности цементного камня при соответствующем водоцементном отношении. Отсюда следует вывод, что в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов возможно получение прогнозируемых прочностных показателей грунтоцемента, равных прочности цементного камня, однако для эффективности работы грунтоцементных конструкций в целом необходимо обеспечить сплошность тела конструкций (т. е. обеспечить заданный диаметр свай).

6. Сопоставление результатов численного моделирования и экспериментальных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения котлована показало, что максимальные горизонтальные перемещения ограждения при откопке грунта до отметки дна котлована (глубиной 12,0 м) не превысили расчётных значений, полученных без учёта характеристик грунтоцемента.

7. Предложенные рекомендации по расчёту и применению ограждений комбинированного типа показали эффективность при использовании на конкретном объекте строительства в Санкт-Петербурге.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Ланько, С.В. Влияние технологии струйной цементации на механические свойства окружающего массива грунта / С.В. Ланько // Вестник гражданских инженеров. СПб., 2012. -№ 3(32). - С. 159-163.

2.Мангушев, Р.А. Влияние грунтоцементных конструкций на горизонтальные перемещения ограждений глубоких котлованов / Р.А. Мангушев, С.В. Ланько // Вестник ВолгГАСУ. - Волгоград, 2012. - №27(46). - С.24-31.

В других изданиях:

3.Ланько, С.В. Краткий обзор научно-экспериментальных исследований струйной технологии jet-grouting российскими и зарубежными учёными // Актуальные проблемы современного строительства: сб. тр. 63-й Междунар. научно-технической конф. молодых учёных / С.В. Ланько // СПбГАСУ. - В 3 ч. Ч. II. -СПб., 2010. - С. 11-13.

4. Ланько, С.В. Современные технологии перемешивания грунтов // Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции: сборник трудов научно-технической конференции / С.В. Ланько // СПбГАСУ. - СПб., 2010. - С. 168-175.

5.Мангушев, Р.А. Численное моделирование шпунтового ограждения с учётом влияния грунтоцементных конструкций / Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, С.В. Ланько // Численные методы расчётов в практической геотехнике: сборник трудов научно-технической конференции // СПбГАСУ. - СПб., 2012. -С. 124-136.

6. Ланько, С.В. Влияние устройства грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждений котлованов // Актуальные проблемы науки о земле: материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов/ С.В. Ланько // СПбГАСУ. - СПб., 2012. -С. 93-96.

7.Мангушев, Р.А. и др. Методы подготовки и устройства искусственных оснований: Учебное пособие / Мангушев Р.А., Усманов Р.А., Ланько С.В., Конюшков В.В. - М., СПб.: Изд-во АСВ, 2012. - 266 с.

Компьютерная верстка И. А. Яблоновой

Подписано к печати 28.02.2013. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 12. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

ФГБОУ ВПО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛАНЬКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ОГРАЖДЕНИЙ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ

ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

ю о

<М ^

ДИССЕРТАЦИЯ

СО

ю

Ю со .. „

на соискание ученой степени кандидата технических наук

со 8

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Мангушев Р. А.

Санкт-Петербург -2013 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОПЫТ УСТРОЙСТВА И МЕТОДЫ РАСЧЁТА ОГРАЖДЕНИЙ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ..................................................10

1.1 Методы устройства ограждений котлованов в условиях городской застройки......................10

1.1.1 Опыт устройства ограждений котлованов в Санкт-Петербурге......................................10

1.1.2 Анализ деформаций ограждений котлованов в условиях городской застройки............14

1.2 Применение технологии струйной цементации при устройстве ограждений глубоких котлованов.............................................................................................................................................17

1.2.1 Основные проблемы при проектировании ограждений котлованов с применением струйной технологии............................................................................................................................23

1.3- Практическиеметоды расчёташпунтовыхограждений котлованов........................................25

1.4 Основная цель и задачи исследования.........................................................................................28

ГЛАВА 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И КОНСТРУКЦИЙ ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНОВ....................................................................31

2.1 Оценка влияния грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения котлованов численными методами.....................................................................................................31

2.1.1 Исходные данные.................................................................................................................33

2.1.2 Оценка влияния толщины вертикальных грунтоцементных конструкций на деформации ограждения......................................................................................................................35

2.1.3 Оценка влияния длины вертикальных грунтоцементных конструкций на деформации ограждения.............................................................................................................................................39

2.2 Численное моделирование работы ограждения котлована в условиях городской застройки с учётом грунтоцементных конструкций..............................................................................................41

2.2.1 Исходные данные для расчёта.............................................................................................41

2.2.2 Результаты численного моделирования.............................................................................45

2.3 Выводы по главе............................................................................................................................47

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОКРУЖАЮЩИЙ МАССИВ ГРУНТА..................................................50

3.1 Краткая характеристика экспериментальной площадки............................................................50

3.1.1 Общая геотехническая ситуация.........................................................................................50

3.1.2 Инженерно-геологические условия....................................................................................53

3.2 Экспериментальная оценка влияния струйной технологии на механические характеристики окружающего массива грунта..............................................................................................................57

3.2.1 Основная цель, задачи и методика проведения эксперимента........................................57

3.2.2 Результаты проведённого эксперимента............................................................................64

3.2.1 Проверка неизменности вида грунта по номограмме Робертсона..................................74

3.3 Экспериментальная оценка механических характеристик грунтоцемента..............................77

3.3.1 Основная цель и методика проведения исследований......................................................77

3.3.2 Обработка результатов испытаний образцов.....................................................................80

3.4 Результаты экспериментальных наблюдений за перемещениями ограждения.......................89

3.4.1 Методика проведения наблюдений....................................................................................89

3.4.1 Результаты и анализ натурных наблюдений......................................................................92

3.5 Выводы по главе............................................................................................................................95

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ГЛУБОКИХ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ СЛАБЫХ ГРУНТОВ................................................................98

4.1 Общие положения..........................................................................................................................98

4.2 Конструктивные решения ограждающих грунтоцементных конструкций............................100

4.3 Методика назначения характеристик грунтоцемента и окружающего массива грунта.......102

4.4 Особенности расчёта ограждающих грунтоцементных конструкций в условиях слабых грунтов................................................................................................................................................ 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................................105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................................................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.............................................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

В связи с развитием строительной техники и технологий, расширение городов и мегаполисов происходит как «вверх» (увеличение этажности зданий) так и «вниз» (активное использование подземного пространства). Строительство новых зданий и сооружений, освоение подземного пространства в условиях городской, исторически сложившейся-застройки ряда городов России, в частности Санкт-Петербурга, является сложной задачей, поскольку с поверхности и до глубины порядка 20-40 м залегают слабые сильносжимаемые пылевато-глинистые грунты. Особенностью указанных грунтов является проявление их тиксотропных свойств при техногенных воздействиях. При вибрационном воздействии грунты переходят в текучее состояние (расструктуривание грунтов) и приобретают свойства вязкой жидкости. Значения угла внутреннего трения и сцепления таких грунтов становятся близки к нулю, что ведет за собой увеличение активного давления на ограждение котлована практически в два раза. Такой вывод следует

из известной формулы активного давления: <7a=y•h^tg2(450-(p/2). При значении угла внутреннего трения равного 20...25°, значение активного давления равно (та - (0,4...0,5) -у -к, а при ср=0 - (та -1,0 • у • к.

Из практического опыта установлено, что зона влияния нового строительства на здания соседней застройки составляет 30 м и более. Поэтому одним из требований к ограждениям котлованов должно быть ограничение горизонтальных перемещений, так как дополнительные осадки зданий соседней

застройки во многом зависят от горизонтальных деформаций ограждений котлованов.

В последние годы в крупных городах, в частности в Санкт-Петербурге, строятся здания с развитым подземным пространством, что требует устройства котлованов большой глубины и объёмов. Ограждение таких котлованов может быть выполнено (на основе технико-экономического расчёта) с использованием различных конструкций и технологий, в том числе, ранее мало применяемых.

К таким ограждениям относятся и конструкции, выполненные из грунтоцемента по технологии струйной цементации. Учёт работы таких конструкций при вскрытии котлована, в том числе, в случае необходимости увеличения жёсткости уже существующих ограждений из металлического шпунта, учёт воздействия струйной технологии на окружающий массив грунта и подземную часть сооружения в целом, являются актуальной и малоисследованной задачей проектирования подземных сооружений.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертации является оценка влияния грунтоцементных конструкций, выполненных по технологии струйной цементации, на деформируемость ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов; разработка рекомендаций по проектированию грунтоцементных ограждающих конструкций глубоких котлованов в условиях городской застройки и слабых грунтов.

Методика исследований включала в себя:

• анализ литературных источников по устройству ограждений котлованов с применения технологии струйной цементации;

• оценку влияния параметров грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения котлована с применением численных методов;

• численное моделирование напряжённо-деформированного состояния ограждения котлована в условиях городской застройки (на примере реального объекта строительства в г. Санкт-Петербург);

• проведение натурных экспериментов по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта и по определению механических характеристик грунтоцемента на площадке строительства;

• анализ данных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения на экспериментальной площадке;

• сопоставление результатов проведённых экспериментов с результатами численного моделирования.

Научная новизна работы:

1) теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций;

2) на основе экспериментальных данных определена зона влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве вертикальных грунтоцементных элементов;

3) по результатам статистической обработки испытаний грунтоцементных образцов получены зависимости для оценки расчётных механических характеристик грунтоцемента;

4) натурными экспериментами подтверждена эффективность применения грунтоцементных конструкций при устройстве ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов.

Практическая значимость работы и внедрение результатов работы заключается в разработке принципов проектирования ограждений комбинированного типа, выполненных с применением грунтоцементных конструкций, при устройстве глубоких котлованов в условиях городской застройки. Это позволило в оперативном режиме увеличить жёсткость уже готового шпунтового ограждения при устройстве котлована большого объёма, что позволило обеспечить сохранность зданий окружающей застройки.

Результаты работы внедрены в учебный процесс и получили частичное отражение в учебном пособии для студентов строительных вузов «Методы подготовки и устройства искусственных оснований».

На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования работы ограждения котлована с использованием грунтоцементных конструкций.

2. Результаты натурного эксперимента по исследованию влияния струйной технологии на окружающий массив грунта.

3. Результаты статистической обработки непосредственных испытаний грунтоцемента на одноосное сжатие.

4. Сравнительный анализ результатов численного моделирования работы ограждения и результатов натурных наблюдений.

Апробация работы: основные положения работы докладывались и обсуждались на 62-й, 63-й, 64-й международных научно-технических конференциях молодых учёных (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (СПб, 2009-2011); на I Международном конгрессе «Актуальные проблемы современного строительства» (СПб, 2012); на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и докторантов «Актуальные проблемы науки о земле» (СПб, 2012).

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твёрдого и деформируемого тела, математической статистики; обеспечивается достаточным объёмом экспериментальных исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных и оборудовании, а также внедрением результатов работы на реальном объекте.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и трёх приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц машинописного текста, 52 рисунка, 10 таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета под руководством чл.-корр. РААСН, д.т.н., профессора Рашида Абдулловича Мангушева. Работа соответствует паспорту специальности 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения», а именно: пункту 7 «Разработка новых методов расчёта, конструирования и устройства оснований,

фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций»; пункту 10 «Разработка научных основ и основных принципов обеспечения безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и др.

Экспериментальные исследования по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта проводились в рамках научно-технического сопровождения строительства подземной части второй сцены Государственного академического Мариинского театра, выполненного НТЖ «Центром Геотехнологий» СГТбГАСУ под руководством д.т.н., проф. P.A. Мангушева.

Большая методическая помощь и техническая поддержка оказана автору сотрудниками кафедры геотехники, НГЖ «Центра Геотехнологий» СПбГАСУ, в частности доц., к.т.н. В. В. Конюшковым, с. н. с. Н.В. Ошурковым и др., а также производственной организацией ООО «Космос-СПб» в лице главного геолога В. А. Дубового.

ГЛАВА 1. ОПЫТ УСТРОЙСТВА И МЕТОДЫ РАСЧЁТА ОГРАЖДЕНИЙ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

1.1 Методы устройства ограждений котлованов в условиях городской застройки

Разработка глубоких котлованов в условиях городской застройки в нашей стране началась в середине 90-х годов, когда возникла необходимость в освоении подземного пространства мегаполисов. До этого времени глубина котлованов для нового строительства обычно не превышала 5 м. Основной расчёт ограждения котлованов заключался в расчёте устойчивости подпорной стенки. Для крепления стенок котлованов, как правило, использовался плоский или пространственный металлический шпунт (типа «Ларсен», «Арселор» и др.) с одним-двумя уровнями распорок. Подземные сооружения большого объёма (насосные станции и т.п.) сооружались вне городской застройки, ограждение выполнялось методом стены в грунте, опускных колодцев или кессонов.

1.1.1 Опыт устройства ограждений котлованов в Санкт-Петербурге

В Санкт-Петербурге при устройстве котлованов в условиях городской

застройки применяются следующие виды ограждений [64, 84, 85, 86, 94]:

• «стена в грунте» из касательных или секущихся буровых свай;

• шпунтовые ограждения;

• траншейная железобетонная «стена в грунте».

Как показывал практический опыт устройства ограждений котлованов в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурге, основными проблемами при выполнении ограждений из касательных или секущихся свай вблизи

существующих зданий зачастую является избыточная выемка грунта ниже забоя скважины и динамическое воздействие при разбуривании смежных свай, фильтрация подземных вод через стыки свай, что вызывает сверхнормативные дополнительные осадки фундаментов зданий. Примером может служить строительство гостиницы на Невском пр., д. 57. Ограждение котлованов было устроено в виде секущихся свай длиной 21 м сечением 800 мм. Устройство свай производилось под защитой обсадной трубы. Примыкающие здания получили осадку около 20 см, вследствие чего были разобраны, окружающая застройка также получила значительные деформации, что привело к необходимости расселения домов [64, 94].

В Санкт-Петербурге одним из первых удачных опытов по устройству глубоких котлованов является строительство торгового центра «Атмосфера» на Комендантской пл. [64, 94]. Диаметр сооружения составляет 78 м, глубина - 19,5 м, соседняя застройка располагалась на расстоянии около 50-100 м, так что сооружаемый котлован влияния на жилые здания не оказывал. Ограждение котлована было выполнено в виде траншейной «стены в грунте» под защитой бентонито-цементного раствора. В разработанную траншею погружался полукруглый металлический шпунт, который служил дополнительным элементом армирования и дополнительной гидроизоляцией. Инклинометрические измерения, проведенные на площадке, позволили отследить перемещения ограждения по глубине. Максимальное смещение составило порядка 250 мм на глубине 15 м [64]. В условиях городской застройки применение такого типа ограждения может оказаться неэффективным. Таким образом, ограждение в виде

траншейной «стены в грунте» в условиях городской застройки следует применять с учётом дополнительных мероприятий по снижению горизонтальных деформации ограждения (устройство контрфорсов, закрепление грунта ниже дна котлована, раскрепление с помо