Обеспечение стабильности слабых основании дорожных насыпей с помощью грунтоцементных свай тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Ле Суан Тхо

• Ле Суан Тхо
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Суан Тхо

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Актуальность обеспечения стабильности дорожных насыпей на слабых грунтах.

1.2. Способы сооружения земляного полотна автомобильных дорог на слабых основаниях.

1.3. Струйная технология закрепления слабых грунтов.

1.4. Прочностные и деформационные свойства грунтов, закрепленных цементными растворами по струйной технологии.

1.5. Расчет несущей способности грунтоцементных свай.

ГЛАВА II ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ СВАЙ НА ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ СЛАБЫХ ГРУНТОВ В МЕЖСВАЙНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

Введение.

2.1. Оценка влияния на НДС слабого основания грунтоцементных свай-стоек.

2.2. Учет собственного веса слабого грунта в околосвайном пространстве.

2.3. Учет взаимного влияния свай на деформируемость слабого грунта.

2.4. Вывод

глава.

ГЛАВА III ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС СЛАБОГО ОСНОВАНИЯ С ГРУНТОЦЕМЕНТНЫМИ СВАЯМИ И СРАВНЕНИТЕЛЬНЫЙ ЕГО АНАЛИЗ.

3.1. Теоретические основы метода конечных элементов (МКЭ).

3.1.1. [К0]: Матрица жесткости системы элементов скелета.

3.1.2. Плоские элементы метода МКЭ.

3.1.3. (8С(1:)}: Вектор узловых перемещений системы элементов

3.1.4. [Сс].

3.1.5. (pc(t)} : Вектор поровых давлений системы элементов.

3.1.6. {Fc} :'Вектор заданных сил (внешних сил).

3.2. Последовательность операций при использовании МКЭ.

3.3. Особенности применения программы "PLAXIS" для описания НДС слабых оснований.

3.3.1. Назначение и возможности пакета программ.

3.3.2. Общие вопросы моделирования и метод разработки Plaxis.

3.3.3 .Ввода.

3.3.4. Расчёты.

3.3.5. Полученные результаты.

3.4. Осадка слабого грунта в окрестностях одиночной грунтоцементной сваи.

3.5. Осадка поверхности слабого грунта между грунтоцементными сваями.

3.6. Особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) слоя насыпного грунта над грунтоцементными сваями.

3.7. Использование результатов исследований для прогноза осадок реального объекта дорожного строительства.

Рекомендации по применению грунтоцементных свай для усиления несущей способности слабых оснований дорожных насыпей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение стабильности слабых основании дорожных насыпей с помощью грунтоцементных свай»

Актуальность темы. При строительстве автомобильных в ряде случаев возникает необходимость увеличения несущей способности слабых оснований дорожных насыпей. В последние годы за рубежом и в России все большее развитие в гражданском и транспортном строительстве получает технология струйной цементации (jet-grouting) слабых оснований, которая отличается высокой эффективностью, скоростью сооружения грунтоцементных конструкций в сложных инженерно-геологических условиях, исключением ударных нагрузок и другими положительными качествами.

Струйная цементация грунтов (jet-grouting) представляет собой метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации в грунте образуются цилиндрические колонны-сваи диаметром до2000 мм.

С помощью технологии струйной цементации грунтов возможно решение широкого спектра геотехнических задач: устройство стен и ограждение котлованов; усиление всех типов фундаментов;-противофильтрационные завесы и экраны; армирование грунтов и геомассивов; закрепление грунтов при проходе тоннелей и строительстве автодорог; укрепление откосов и склонов; закрепление грунтов в основании проектируемых фундаментов с целью повышения прочностных и деформационных характеристик; разъединительные стенки влияния деформаций;- устройство буровых свай; контролируемое заполнение подземных выработок и карстовых пустот; заглубление подвалов и надстройка зданий;

Грунтоцементные сваи по своей структуре имеют значительное сходство с буронабивными сваями, однако они обладают целым рядом других, более выгодных качеств, и в первую очередь таких как:

• существенное уплотнение грунта вокруг свай и, соответственно, повышение его прочностных характеристик из-за. «прессующего» воздействия на грунт цементной струи, а также дополнительным уплотняющим (воздействием на грунт весового давления столба грунтоцементной смеси;

• образование пограничного слоя из отвердевшего чистого цементного раствора и формирование развитой "волнообразной" поверхности, которая значительно повышает сцепление сваи с грунтом;

• формирование подошвы сваи, которая опирается на материковый грунт, покрытый слоем отвердевшего цемента, а не на буровой шлам, как это происходит при производстве буровых свай, улучшая тем самым условия опирания сваи на грунт.

Это сходство позволяет при проектировании свайных фундаментов использовать СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», в соответствии с которым расчет одиночных свай выполняется по первой и второй группам предельных состояний, связанных с проверкой прочности материала свай, несущей способности грунта основания свай и осадками фундаментов.

Вторая группа предельных состояний (осадки свай) в связи чрезвычайно высоким сцеплением сваи с грунтом в расчетах практически не используется. Практикой установленного, что при предельной нагрузке, при которой обычно происходит разрушение материала свай, их осадка не превышают нескольких миллиметров.

В месте с тем при использовании грунтоцементных свай для усиления слабых оснований в дорожном строительстве определение несущей способности грунтоцементных свай по приведенными критериям является недостаточными.

Данная конструкция выравнивая прочностные и деформационные свойства грунта за счет армирующих элементов в виде грунтоцементных свай, позволяет рассматривать слабое основание как единый геотехнический массив. Однако, если обеспечена общая устойчивость основания, то возникает необходимость оценить характер работы слабого грунта в межсвайном пространстве с точки зрения степени влияния грунтовых свай на его общую деформируемость. Тем не менее, существующие методы расчета грунтоцементных свай не содержат каких-либо определенных рекомендаций по оценке работы межсвайных зон слабого грунта.

В этой связи целью диссертационной работы является разработка теоретических и методических основ прогноза степени увеличения общей несущей способности слабых оснований дорожных насыпей за счет устройства вертикальных грунтоцементных свай. Научная новизна работы:

• на базе решений Миндлина-Лапшина, получены расчетные зависимости, позволяющие произвести аналитическую оценку характера влияния бокового трения на величину НДС слабого грунта в окрестностях одиночной грунтоцементной сваи и в межсвайной зоне;

• установлено, что силы трения, возникающие на контакте боковая поверхность грунтоцементной сваи-слабый грунт, существенно уменьшают величину сжимающих напряжений, действующих в слабом грунте вблизи одиночной грунтоцементной сваи или в межсвайном пространстве при наличии группы свай;

• установлено, что закономерности формирования компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) слабых оснований дорожных насыпей при наличии грунтоцементных свай отличаются от аналогичных условий формирования НДС в случае применения грунтовых свай-дрен;

• получены расчетные зависимости, позволяющие обобщенно определить возможную степень уменьшения прогнозируемой осадки слабого основания в целом за счет его усиления грунтоцементными сваями и роста его модуля деформации;

• методами численного анализа (МКЭ) установлено, что условия формирования НДС толщи насыпных грунтов, перекрывающих свайное основание, несколько отличаются от условий применения для этой цели свай-дрен и из-за повышенной своей жесткости требуют более мощных слоев насыпного грунта для исключения его неравномерных осадок; • установлено, что эффективность использования грунтовых свай в качестве мероприятия по повышению несущей способности слабых оснований зависит от прочностных параметров грунтов основания и степени насыщения его грунтоцементными сваями.

Практическая ценность работы: состоит в дальнейшем совершенствовании методических основ проектирования дорожных конструкции, сооружаемых в сложных инженерно-геологических условиях, позволяющих более обосновано использовать грунтоцементные сваи в качестве конструктивно-технологического мероприятия, направленного на увеличение несущей способности земляного полотна на слабых основаниях.

Апробация работы:

1. Добров Э.М., Ле Суан Тхо, Чан Куок Дат. Грунтовые сваи - эффективный метод в усилении слабых оснований / Э.М. Добров, Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо // Вьетнамский мостовой и дорожный Жур-л, Научно-технические сообщество по мостам и дорогам, Министерство транспорта, Ханой, Вьетнам, 2010, № 7. С.50-54.

2. Добров Э.М., Ле Суан Тхо, Чан Куок Дат. Оценка эффективности усиления слабых оснований дорожных насыпей грунтовыми сваями / Э.М. Добров, Чан Куок Дат, Ле Суан Тхо // Жур-л «Транспортное строительство» М. 2010, № 7. С.25-27.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Ле Суан Тхо

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В последние годы за рубежом и в России все большее развитие в гражданском и транспортном строительстве получает технология струйной цементации (jet-grouting) слабых оснований, которая отличается высокой эффективностью, скоростью сооружения грунтоцементных конструкций в сложных инженерно-геологических условиях.

2. Грунтоцементные сваи по своей структуре имеют значительное сходство с буронабивными сваями, что позволяет при проектировании свайных фундаментов использовать СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», в соответствии с которым расчет одиночных свай выполняется по первой и второй группам предельных состояний, связанных с проверкой прочности материала свай, несущей способности грунта основания свай и осадками фундаментов. Однако, при использовании грунтоцементных свай для усиления слабых оснований в дорожном строительстве определение несущей способности грунтоцементных свай по приведенными критериям является недостаточными, т.к. отсутствует возможность оценки характера поведения насыпного грунта и грунта слабого в межсвайной области.

3. Нами предложена расчетная схема работы грунтоцементной сваи в слое слабого грунта, согласно которой на его НДС основное влияние оказывают силы трения, возникающие на контакте боковой поверхности сваи и слабого грунта. За счет действия этих сил происходит существенное изменение в зоне, окружающей сваю, тензора напряжений и снижение интенсивности вертикальных сжимающих напряжений, возникающих от внешней нагрузки.

4. На базе решений. Миндлина-Лапшина получены расчетные аналитические зависимости, позволяющие оценить величину прогнозируемых абсолютных и относительных величин осадки и модуля деформации слабого грунтового основания в случае его усиления грунтоцементными сваями.

5. Используя полученные формулы, подробно исследованы функциональные зависимости прогнозируемых величин абсолютных и относительных осадок и модулей деформации слабых оснований от диаметра грунтоцементных свай и их взаимной удаленности, а также от прочностных характеристик (угол внутреннего трения и сцепление) слабых грунтов. При этом установлено, что наиболее сильное влияние прочностные характеристики слабого грунта оказывают на величину осадки слабого основания и его модуль деформации при значении отношения «расстояние между осями свай к диаметру свай» не превышает ЬЮ= 5-6.

6. Используя метод конечных элементов (МКЭ), с помощью программы "Р1ах1з" изучены особенности формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) элемента грунтовой толщи слабого основания в окрестностях одиночной грунтоцементной сваи и межсвайной зоне рядом стоящих свай.

7. Выполнен сравнительный анализ прогноза осадок поверхности толщи слабого основания в окрестностях одиночной грунтоцементной сваи и межсвайной зоне рядом стоящих свай с помощью численного моделирования по МКЭ и предложенной аналитической зависимости. При этом установлено, что на степень совпадения данных по прогнозу осадок существенное влияние оказывают прочностные характеристики слабого грунта, величина коэффициента, отражающего степень взаимного влияния сил трения на поверхностях соседних свай, и удаленность от расчетного сечения от сваи.

8. На основе экспериментальных исследований по численному моделированию (МКЭ) условий работы слоя насыпного грунта (дорожной насыпи) на слабом основании и, усиленном грунтоцементными сваями, было установлено, что зоны предельного состояния при одной и той же величине внешней нагрузки оказываются более развитыми над грунтоцементными сваями в сравнении с "мягкими" сваями-дренами. Одинаковый уровень однородности НДС насыпного слоя над грунтоцементными и грунтовыми сваями-дренами достигается либо только за счет снижения диаметра свай, либо за счет снижения величины внешней нагрузки.

9. Для обеспечения однородности полей НДС массива слоя насыпного грунта и требуемой равномерности его осадок при одной и той же степени насыщенности слабого основания грунтоцементными сваями того или инего диаметра следует ограничивать минимально допустимую мощность насыпного грунта к™ш , при этом чемгменьше степень насыщения слабого грунта сваями, (замены), тем выше влияние на их диаметра О и тем выше опасность проявления неравномерных деформаций насыпного грунта; роль диаметра нивелируется только при достижении степени насыщения основания сваями более 20% и тогда = Юхр.

10. Предложены практические рекомендации по методам прогноза степени усиления слабых оснований грунтоцементными сваями на примере расчета реального объекта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ле Суан Тхо, 2011 год

1. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных на слабых дорог к СНиП 2.05.02-85 ст.5.

2. СНиП. 2.02.03-85-Свайные фундаменты, фор.(8),

3. Основания дорог под слабыми грунтами в условиях Вьетнама.45,4б.

4. СНиП 2.05.02-85 Автомобильные дороги п. 6.30., [приложение 5-справочное], ст. [5]- Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных на слабых дорог

5. Строительство и реконструкция автомобильных дорог том 1, Москва 2005, стр. 122, 123.

6. Бройд И.И. Струйная геотехнология (Jet grouting method) стр15.

7. Малинин А.Г. Обоснование расхода цемента при струйной цементации грунта.8. ГОСТ 25100-95 ГРУНТЫ.

8. ГОСТ 5686-94 7., Методы полевых испытаний сваями Soils. Field test methods by piles.

9. Ю.СНиП 3.02.01-83 Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве.

10. Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. М.: Автостройиздат, 1956. 241с. .

11. Бройд И.И. Струйная технология строительства подземных сооружений. Современное состояние и направления развития. // ВНИИНТПИ. Обз. инф. Арх-ра и стр-во. Вып. №2. Технология, механизация и автоматизация в строительстве. М. 1995.69 с.

12. Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов (техническая мелиорация). М.: Моск. Ун-т. 1973. 373с., ил.

13. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Стройиздат, 1989.136 с.

14. Рекомендации по струйной технологии сооружения противофильтрационных завес, фундаментов, подготовки оснований и разработки мерзлых грунтов. ВНИИОСП, М. 1989.89с.

15. Токин А.Н. Фундаменты из цементогрунта. М. Стройиздат. 1984. 184 с.

16. ВСН 40-88. Проектирование и устройство фундаментов из цементогрунта для малоэтажных сельских знаний, п.4

17. Малинин А.Г. Применение струйной цементации в подземном строительстве // Подземное пространство мира, 2000, №2., стр. 19-20

18. Малинин А.Г. Предварительное инъекционное закрепление грунтов при строительстве тоннелей в Перми // Подземное пространство мира, 2001, №1.

19. Малинин А.Г. Применение грунтоцементных свай в городском строительстве. Стати.

20. Лапшин Ф.К. Расчет свай по предельным состояниям, Изд-во Сарат.Университета,1979г, 54-55с., 152с.

21. Добров Э. М. Механика ?рунтов. М. Изд. Центр «Академия», 2008г,272с.

22. Полуновский А.Г. Авт. Реф. Канд. Дисс. Обоснование и исследование конструкции земляного полотна автомобильных дорог на участках залегания иольдиевых глин. М.1972г, 24с

23. Чан К.Д Повышение несущей способности слабых оснований дорожных насыпей сваями-дренами. 2010г. «Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук», Москва 2010г. Стр. 56-77

24. Абелев М.Ю. "Слабые водонасыщешые глинистые грунты как основания сооружений", М., Стройиздат, 1973, с.288.

25. Амарян Л.С. "Прочность и деформируемоеть торфяных грунтов", М., "Недра", 1969, с. 193.

26. Амарян Л.С. "Полевые приборы для определения прочности и плотности слабых грунтов", М., "Недра", 1966, с.64.

27. Вопросы проектирования и сооружения земляного полотна на слабых грунтах, "Труды Союздорнии", вып. 65,1973г., с.216.

28. Вопросы сооружения и эксплуатации насыпей на откосах, сборник статей (Ком. по земляному полотну при научно-техническом совете МПС и Техн. Совете Минтрансстроя), Москва, "Транспорт", 1965г, стр.160.

29. Далматов Б.И., Сахаров И.И., Сотников С.Н., Улицкий В.М., Фадеев А.Б., Механика грунтов, Часть 1 -^Основы геотехники, Москва Санкт-Петербург, 2000, стр. 140-141.

30. Богов С.Г. Исследование прочностных свойств грунтов, закрепленных цементными растворами по струйной технологии. Некоторый опыт строительства на слабых грунтах, стр.2-4.(статья)

31. Дрозд П.А. "Сельскохозяйственные дороги на болотах", Минск, "Урожай", 1966г, с.168.

32. Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д. "Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах", М., Транспорт, 1976, с.272.

33. Евгеньев И.Е. "Строительство автомобильных дорог через болота", М., Транспорт, 1968, с.220.

34. Евгеньев И.Е. "Земляное полотно с вертикальными дренами на болотах", М., Транспорт, 1964, с.76.

35. Казарновский В.Д. Оценка устойчивости насыпей на слабых грунтах // Автомобильные дороги. 1966. № 1. - С.15-17.

36. Казарновский В.Д., Полуновский А.Г. и др. Синтетические текстильные материалы в транспортном строительстве. М.: Транспорт, 1984. - 159с.

37. Казарновский В.Д. Основа обеспечения прочности и устойчивости дорожных конструкций. — М.гТехполиграфцентр, 2009. 98с.

38. Казарновский В.Д. Пути повышения надёжности и долговечности дорог в сложных природных условиях // Наука и техника в дорожной отрасли. 2002. -№2.-С. 8-9.

39. Казарновский В.Д. Основы инженерной геологии, дорожного грунтоведения и механики грунтов. М.: Интрасдорнаука, 2007. 284с.

40. Кириллова Н.Ю., Козлова Н.Ф., Шаврин Л.А. Анализ исходных данных и проектирование фундаментов мелкого заложения. М.: МИИТ, 2006. - 38с.

41. Кириллова Н.Ю., Козлова Н.Ф. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: МИИТ, 2005. - 44с.

42. Jle Ба Кхань. "Учёт фильтрационных сил при оценке несущей способности консолидируемых оснований дорожных насыпей", на "Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук", Москва 1999г.

43. Маслов H.H. "Основы инженерной геологии и механики грунтов", М., "Высшая школа", 1982.

44. Морарескул H.H. "Методы устройства оснований и фундаментов в торфяных грунтах", JL, 1973г, с.40 (Ленинградский дом научн. техн. пропаганды).

45. Мохаммед A.C. "Повышение несущей способность слабых оснований при реконструкции автомобильных дорог", на "Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук", Москва 2002г.

46. Полуновский А.Г. "Обоснование и исследование конструкции земляного полотна автомобильных дорог на участках залегания иольдиевых глин", на "Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук", Москва 1972г.

47. Пузыревский Н.П.,Фундаменты. М., Стройиздат, 1934.

48. Потанов A.C. "Применение песчаных свай для предотвращения деформаций водопропускных труб на слабых основаниях", Автореферат кандидатской диссертации. Л., 1969.

49. Фадеев А.Б. "Метод конечных элементов в геомеханике", Москва «Недра» 1987.

50. Эстакады на автомобильных дорогах, сооружаемых в заболоченных районах. Техническая информация, Москва, 1970г, стр.48.1. На вьетнамском языке

51. Bergado D.T., Chai J.C., Alfaro М.С., Balasubramanian A.S., 1994. Nhungf fbiem phap ki thuat mai cai tao dat yeu trong xay dung. Nxb Giao due, Ha Noi. 2.,1. Л Г Г f \

52. Nen ducmg dap tren dat yeu trongdieu kien Viet Nam. ст. 2.,

53. Bui Anh Dinh. "Co hoc dat", Ha noi, 2004.

54. Nien giam thong ke nam 2006, стр.96.

55. Pierre Lareal, Nguyen Thanh Long, Nguyen Quang Chieu, Vu Due Luc, Le Ba1. X f / л1.ang "Nen duang tren dat yeu trong dieu kien Viet Nam", Ha noi, 2001. + На других языках

56. A.Porbaha at all: " State of the art in deep mixing technology " part II and II:-Ground improvement (1998);

57. Cristian Kutzner. Grouting of rock and soil. A.A.Balkema, 1996.

58. Angelo L. Garassino. Design Procedures for Jet-Grouting // Seminar on jet grouting. Singapore, 1997.

59. Cesare Melegari. Introduction to the Jet-Grouting Methods // Seminar on jet grouting. Singapore, 1997.

60. Barron R.A. Consolidation of fine grained soils by drain wells. J. Soils Mech. ASCE, June, 1947г., стр.811-835.

61. Bergado D.T., Chai J.C., Alfaro M.C., Balasubramaniam A.S. "Improvement techniques of soft ground irr subsiding and lowland environment", Division of geotechnical&transportation engineering asian institute of technology Thailand, 1992.

62. A.Kipp Moorsprengungen bei bau der Holland. "Strasse und Auetobahn" ("Улицы и автобаны"), 1995г, 16, №5 стр. 135-160.

63. A. Moss. Scweizerishe Erfahrungen im Strassenbau auf Torf. "Strasse und Auetobahn", 1964r., 16, №8, стр.273-278.

64. PILOT G., MOREAU M. "Remblais sur sols mous équiqués de baquettes latérales Abaques pour le calcul de stabilité", LCPC, Paris,. 1973.

65. I.M. Smith and D.V. Griffiths. "Programming the finite element method", Second edition. University of Manchester, U. K, 1988.

66. Reed L. Mosher and William P. Dawkins Theoretical Manual for Pile Foundations November 2000.