На правах рукописи
ЕРМОЛАЕВ Вадим Александрович
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
МЕТОДОМ ГИДРОРАЗРЫВА ПРИ НЕОДНОКРАТНОМ
ИНЪЕКТИРОВАНИИ
Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре геотехники.
Научный руководитель:
|
доктор технических наук, профессор, член корреспондент РААСН
Мангушев Рашид Абдуллович
|
Официальные оппоненты:
|
Бронин Владимир Николаевич,
доктор технических наук, профессор, ООО "Бюро экспертизы и совершенствования проектных решений", г. Санкт-Петербург, научный руководитель;
|
|
Мишаков Владимир Александрович,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ООО Научно-проектно-строительная фирма "СпецСтройСервис", г. Санкт-Петербург, директор по научной работе.
|
Ведущая организация:
|
ФГБОУ ВПО "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
|
Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в _____ 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 диссертационного совета (аудитория 219).
Телефакс: (812) 316-58-72
Email: rector@spbgasu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «_____» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор Казаков Юрий Николаевич
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Улучшение строительных свойств грунтов для усиления оснований зданий старой застройки, городских дорог, станций метрополитена, транспортных и инженерных тоннелей является давно назревшей и чрезвычайно важной проблемой для повышения долговечности и надежности сооружений в крупных городах при внешних техногенных воздействиях и освоении городского подземного пространства.
Усиление фундаментов при помощи буроинъекционных свай, выполнение инъекционного закрепления грунтов методами восходящих или нисходящих последовательных этапов являются способами однократного воздействия на грунты. Использование высоконапорной инъекции или манжетной технологии позволяет выполнять закрепление грунтов многократно, с регулированием режимов нагнетания инъекционного раствора по любому горизонту закрепляемого массива.
Вместе с тем, до настоящего времени применение манжетной технологии в слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах осуществлялось во многом интуитивно из-за ее недостаточной изученности и, в результате чего, данная технология использовалась весьма ограничено.
Учитывая необходимость сохранения зданий исторического застройки Санкт-Петербурга и других крупных городов, дальнейшее развитие их транспортной и подземной инфраструктуры необходимость исследований, направленных на изучение процессов закрепления грунтов с использованием метода манжетной технологии, являются весьма актуальными.
Совершенствование метода инъекционного усиления оснований сооружений с использованием манжетной технологии в режиме гидроразрыва позволит повысить прогнозирование качества закрепленных грунтов, в том числе пылевато-глинистых, его эффективное использования при решения сложных геотехнических задач.
Степень разработанности темы исследования. Достоинством методов высоконапорной инъекции является их применимость к упрочнению не только песчаных, но и водонасыщенных глинистых грунтов. Методы высоконапорной инъекции нашли применение при решении широкого круга геотехнических задач. Теоретическим и практическим исследованиям таких задач посвещены работы М.Аббуда, К.П. Безродного, В.А.Богомолова, В.Н.Бронина, О.В.Герасимова, М.Я.Крицкого, А.Л.Ланиса, А.В.Лубягина, В.В.Лушникова, А.Г.Малинина, Р.А.Мангушева, А.Г.Мацегоры, В.А. Мишакова, М.И. Никитенко, Л.В.Нуждина, М.Л.Нуждина, С.Д.Осипова, В.П.Писаненко, А.И.Полищука, И.И.Сахарова, К.Ш.Шадунца и других специалистов.
При упрочнении слабых глинистых грунтов в основаниях реконструируемых зданий Санкт-Петербурга в основном применяется манжетная технология высоконапорной инъекции. Экспериментальные и теоретические исследования, проводимые под руководством И.И.Сахарова, позволили выявить характерные типы образующихся текстур, модернизировать конструкцию манжетной колонны для получения горизонтальной трещины гидроразрыва. Однако анализ литературных источников показал, что сведения по упрочнению слабых водонасыщенных грунтов в области образования линз из затвердевшего раствора достаточно противоречивы.
Проведенный анализ методов инъекционного закрепления грунтов с учетом особенностей инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга, позволил сделать следующие выводы
Традиционно используемые методы усиления слабых грунтов оснований сооружений имеют ограниченное применение.
Задачи по закреплению грунтов оснований часто требуют повторного возвращения к объектам усиления, при этом ни одна из существующих технологий, кроме манжетной, не позволяет их решить с минимальными затратами.
В настоящее время манжетная технология инъектирования грунта в режиме гидроразрыва изучена недостаточно и отработаны методики оценки влияния гидроразрыва на изменения прочностных и деформационных свойств грунта.
Совершенствование технологии инъекционного закрепления грунтов с использованием манжетной технологии может позволить повысить качество закрепления грунтов и увеличить эффективность использования данного метода для решения различных сложных геотехнических задач.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования – совершенствование метода усиления оснований с использованием манжетной технологии и оценка влияния гидроразрыва на изменения прочностных и деформационных свойств слабых грунтов, в том числе при неоднократном инъекцировании.
Задачи исследования:
анализ существующих методов закрепления грунтов, используемых в отечественной и мировой геотехнической практике для оценки возможности применения данных методов при строительстве и реконструкции;
выполнение лабораторных исследований по подбору оптимальных рецептур инъекционных растворов для использования манжетной технологии в условиях слабых грунтов, а также рецептур обойменных растворов;
усовершенствование стандартного и разработка нового оборудования для закрепления грунтов с использованием манжетной технологии, в том числе при неоднократном инъекцировании;
оценка изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенного грунта при его закреплении по манжетной технологии в режиме гидроразрыва с использованием численного моделирования;
проведение натурных исследований по оценке степени упрочнения грунта при использовании манжетной технологии;
выполнение сравнительного анализа характеристик грунтов при упрочнении инъекцией, полученных при численном моделировании и по результатам полевых натурных исследований;
внедрение предлагаемого метода усиления оснований с использованием манжетной технологии на объектах Санкт-Петербурга.
Объектом исследования являются слабые водонасыщенные грунты оснований сооружений.
Предметом исследования является изменение напряженно-деформированного состояния и характеристик оснований, упрочненных методом инъекцирования с использованием манжетной технологии в режиме гидроразрыва, в том числе, при неоднократной инъекции.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Экспериментально подобран и обоснован оптимальный состав инъекционного и обойменного растворов, усовершенствовано нагнетательное оборудование, позволившее обеспечить возможность многократной подачи инъекционного раствора в грунтовый массив.
Усовершенствована методика и выполнена численная оценка изменения напряженно-деформированного состояния основания, включая анализ изменения поровых давлений, при закреплении грунта инъекцированием в режиме гидроразрыва.
Разработаны и обоснованы параметры и метод контролируемого многократного инъекцирования в закрепляемый горизонт грунтового основания с использованием манжетной технологии, что позволяет создавать структурно-закрепленный массив грунта в заданном объеме.
Теоретически и экспериментально обоснована зависимость упрочнения грунтов от режима нагнетания и свойств инъекционного раствора.
Полевыми исследованиями подтверждена эффективность закрепления грунтов с использованием предложенного метода в условиях водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов Санкт-Петербурга.
Методологическая основа исследования.
Анализ литературных источников по методам и результатам инъекционного закрепления грунтов,
Лабораторные исследования по подбору оптимальных рецептур инъекционных и обойменных растворов,
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния грунта при его закреплении инъекцированием в режиме гидроразрыва,
Проведение полевых экспериментальных исследований по оценке параметров закрепления, степени упрочнения грунта, закрепляемого с использованием манжетной технологии в режиме гидроразрыва,
Сопоставление результатов проведенных экспериментальных работ с результатами численного моделирования с целью подтверждения эффективности предлагаемого метода,
Экспериментальный подбор, усовершенствование и промышленное опробование оборудования для проведения инъекционного закрепления грунтов методом манжетной технологии с многократной повторяемостью нагнетания.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения», п. 7 «Разработка новых методов расчета, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций», п.10 «Раработка научных основ и основных принципов безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и т.д.».
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Разработан стандарт организации (СТО31041820 002 2006) на усиление фундаментов и упрочнение грунтов оснований с применением инъекционных технологий при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте наземных, заглубленных и подземных зданий и сооружений в соответствии с действующими нормативными требованиями. На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований подобран оптимальный состав инъекционного и обойменного растворов. Усовершенствовано нагнетательное оборудование, обеспечивающее возможность многократной подачи инъекционного раствора в грунтовый массив. Разработан метод контролируемого многократного инъекцирования в закрепляемый горизонт с использованием манжетной технологии. Предложена методика определения радиуса закрепления и численного прогноза изменения модулей деформации грунта при инъекцировании в режиме гидроразрыва. Доказана эффективность закрепления грунтов с использованием предложенного метода в условиях водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов Санкт-Петербурга.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на четырех отечественных и зарубежных научно-практических конференциях: 4-ая Международная конференция по улучшению свойств грунтов геосистемами (инъекция, усиление грунтов и геосистемы включая усиление), Хельсинки, 2000; Международная геотехническая конференция «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов», Алматы, 2004; 61-я научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2004; Научно-техническая конференция «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции" посвященная 100-летию со дня рождения Б.И.Далматова, СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2010.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, общим объемом 8,13 п.л., лично автором – 4,76 п.л., в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, общих выводов, списка литературы, включающего 177 наименований, и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 166 страниц машинописного текста. Работа содержит 81 рисунок и 9 таблиц.
Во введении сформулирована проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи исследований, научная и практическая значимости, научная новизна и апробация работы.
В первой главе рассмотрено состояние вопроса: приведен обзор традиционно применяемых инъекционных методов закрепления грунтов, анализ их применимости для целей строительства и реконструкции в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, проанализирована возможность использования манжетной технологии закрепления грунтов; обоснованы цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены результаты лабораторных и полевых исследований по подбору состава инъекционных и обойменных растворов, а также по подбору и усовершенствованию оборудования для проведения инъекционного закрепления грунтов методом манжетной технологии с многократной повторяемостью нагнетания.
В третьей главе приведены методика численного моделирования напряженно-деформированного состояния грунта при его закреплении инъецированием в режиме гидроразрыва (в том числе с многократной повторяемостью нагнетания), анализ развивающихся поровых давлений, позволяющих отслеживать степень уплотнения грунта в зависимости от последовательности технологических операций, а также результаты подбора оптимальных технологических режимов инъекционного закрепления грунта.
В четвертой главе приведено сопоставление результатов численного моделирования и натурных исследований, подтверждающее достоверность результатов моделирования и возможность их использования при прогнозировании напряженно-деформированного состояния грунта при инъецировании методом гидроразрыва.
В пятой главе приведены результаты опытно-производственного внедрения проведенных исследований на объектах Санкт-Петербурга.
II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ,
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Экспериментально подобран и обоснован оптимальный состав инъекционного и обойменного растворов, усовершенствовано нагнетательное оборудование, позволившее обеспечить возможность многократной подачи инъекционного раствора в грунтовый массив.
С учетом отечественного и зарубежного опыта проведения работ с использованием манжетной технологии были сформулированы основные требования к инъекционным и обойменным растворам.
С целью исследования свойств, применяемых цементных инъекционных растворов, были определены их реологические характеристики и выявлено влияние на них различных добавок (жидкое стекло, хлористый кальций). При этом, были определены усадочные деформации цементного камня. Реологические и тиксотропные параметры растворов определялись при помощи шестискоростного ротационного вискозиметра FANN 35SA.
Проведен ряд лабораторных экспериментов по определению прочности на сжатие цементных растворов с добавками и без. Основные результаты проведенных исследований приведены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1
|
