Совершенствование метода расчёта инъекционных свай в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Шалгинов, Роман Валерьевич

• Шалгинов, Роман Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шалгинов, Роман Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОСНОВНЫЕ ПУТИ

ЕГО РЕШЕНИЯ.

1.1. Инъекционные сваи, технологии устройства и область применения. Ю

1.2. Существующие методы расчета инъекционных свай.

1.3. Существующие методы оценки уплотнения грунта вокруг инъекционных свай.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ.

2.1. Физические процессы и технологические параметры при устройстве инъекционной сваи в глинистых грунтах.

2.2. Определение усилия вдавливания инъектора инъекционной сваи.

2.3. Определение давления инъекции при формировании ствола инъекционной сваи.

2.4. Оценка зоны уплотнения грунта вокруг ствола инъекционной сваи.

2.5. Расчет несущей способности инъекционной сваи в глинистых грунтах. цо

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ.

3.1. Технология устройства и методика испытаний инъекционных сваи в глинистых грунтах.

3.2. Характеристика инженерно-геологических условий опытных площадок.

3.3. Результаты экспериментальных исследований. ^

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

4.1. Оценка сопротивления глинистых грунтов под пятой и на боковой поверхности инъекционных свай по результатам их испытаний.

4.2. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.3. Алгоритм расчета инъекционных свай для условий реконструкции зданий.

4.4. Практическое применение результатов исследований при усилении фундаментов зданий.

4.5. Пути дальнейших исследований по совершенствованию технологии устройства, конструкции и расчета инъекционных свай.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчёта инъекционных свай в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий»

В последние годы, в связи с ростом объемов реконструкции и восстановления зданий, широкое распространение получили способы усиления фундаментов с использованием инъекционных свай*, в том числе свай, которые устраиваются с помощью перфорированных трубчатых инъекторов с уширенным наконечником. Инъекционные сваи, рассматриваемые в настоящей работе, устраиваются в глинистых грунтах и используются при реконструкции зданий. Скважина образуется без извлечения грунта путем вдавливания инъектора с уширенным наконечником, а ствол сваи формируется путем нагнетания под давлением подвижной бетонной смеси. Для эффективного использования таких свай необходимы обоснование технологических параметров** и определение их несущей способности. В настоящее время практически отсутствуют надежные разработки, позволяющие комплексно подходить к расчету инъекционных свай с учетом технологических особенностей их устройства. Поэтому совершенствование метода расчета инъекционных свай в глинистых грунтах является актуальным, имеет научное и практическое значение для развития возможностей реконструкции зданий. Работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями кафедры «Основания, фундаменты и испытания сооружений» Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Объект исследований - инъекционная свая, устраиваемая с помощью перфорированного трубчатого инъектора с уширенным наконечником в глинистых грунтах, а именно в супесях пластичных, суглинках мягкопластичных и текучепластичных.

Предмет исследований - взаимодействие инъекционной сваи с глинистым грунтом основания на этапах ее устройства и работы. Под инъекционными понимаются сваи, которые формируются в предварительно подготовленных скважинах путем инъекции под давлением подвижной бетонной смеси с последующей опрессовкой системы «свая - грунт основания» (по определению А.И. Полищука, A.A. Петухова, 2005 г.). Под технологическими понимаются параметры (силовые, геометрические), которые контролируются в процессе устройства инъекционной сваи и позволяют достигнуть ее проектных размеров.

Цель работы - совершенствование метода расчета технологических параметров и несущей способности инъекционных свай, обеспечивающего надежность их проектирования в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Обосновать выбор и усовершенствовать метод расчета технологических параметров устройства инъекционных свай с учетом характеристик глинистых грунтов и размеров инъектора.

2. Разработать метод расчета несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах, который учитывает радиальное уплотнение грунта вокруг их ствола.

3. Экспериментально установить технологические параметры при устройстве инъекционных свай в глинистых грунтах и оценить их несущую способность при действии статической вдавливающей нагрузки. По результатам испытаний инъекционных свай в глинистых грунтах определить сопротивление грунта под пятой и на их боковой поверхности.

4. Сопоставить результаты расчетов технологических параметров и несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах с экспериментальными данными. Выполнить опытно-промышленную апробацию результатов исследований при усилении фундаментов реконструируемых зданий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлена связь между давлением инъекции при устройстве инъекционной сваи и сопротивлением глинистого грунта по ее боковой поверхности. Выявлено, что при устройстве инъекционной сваи давление инъекции должно быть в 6 - 11 раз больше давления обжатия ствола сваи глинистым грунтом, которое определяет ее несущую способность по боковой поверхности.

2. В аналитическом виде, на основе упругопластической модели грунтовой среды, решена задача о прогнозировании зоны уплотнения глинистого грунта на границе со стволом инъекционной сваи.

3. Получено аналитическое решение для расчета несущей способности инъекционной сваи в глинистых грунтах, которое учитывает радиальное уплотнение грунта вокруг ее ствола. Установлено, что радиальное уплотнение глинистого грунта вокруг инъекционной сваи приводит к увеличению его сопротивления на боковой поверхности сваи в 1,2 - 1,3 раза.

Достоверность сформулированных в работе научных положений и выводов обеспечена корректным использованием для теоретических исследований положений механики грунтов, методов расчета оснований и фундаментов, теорий упругости и пластичности, аналитических и численных методов решения задач, а для экспериментальных исследований - применением современного оборудования, достаточным объемом исследований с использованием инъекционных свай длиной 4,0 - 5,0 м, диаметром 220 - 250 мм. Необходимая для практического использования точность разработанных методов расчета подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований для глинистых грунтов.

Практическое значение работы и ее использование:

1. Практическое значение работы состоит в том, что разработанные методы расчета технологических параметров и несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах обеспечивают необходимую надежность проектных решений. Предложены новые конструктивные решения инъекционной сваи и инъекторов, патентная новизна которых подтверждена тремя патентами РФ на полезную модель.

2. Результаты исследований использованы:

• при разработке проектной документации и производстве работ по усилению фундаментов реконструируемых зданий в г.Томске: административно-хозяйственное здание на пл. Соляной, 2 (ООО «СНПО ГеоТом», 2006 г.); жилой дом по ул. Усова, Ъ1а (ЗАО «НПО «Геореконструкция», 2006 г.); здание детского сада по ул. Водяной, 31/1 (ООО «Фобус-5», 2007 г.);

• в Томском государственном архитектурно-строительном университете (ТГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности

270102 - «Промышленное и гражданское строительство», а также при чтении лекций по направлению «Строительство» для студентов, магистрантов, аспирантов строительного факультета и слушателей института непрерывного образования ТГАСУ в 2006 - 2009 гг.

Справки о внедрении результатов исследований приведены в приложениях 3-5.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на 63-й, 65-й и 66-й научно-технических конференциях в НГАСУ (г. Новосибирск, 2006 - 2009 гг.); в Конкурсе на лучший научный доклад аспирантов по строительным специальностям в рамках Вторых академических чтений им. проф. A.A. Бартоломея в ПГТУ (г. Пермь, 2007 г.); на университетской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Знания, умения, навыки - путь к созданию новых инженерных решений» в ТПУ (г. Томск, 2007 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» в ТюмГАСУ (г. Тюмень, 2008 г.); на VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» в ТПУ - ТГАСУ (г. Томск, 2009 г.) и научных семинарах кафедры «Основания, фундаменты и испытания сооружений» ТГАСУ (г. Томск, 2006 - 2009 гг.). В полном объеме работа доложена на межкафедральных семинарах ТГАСУ (г. Томск, 2009 г.) и ТюмГАСУ (г. Тюмень, 2009 г.).

Личный вклад автора состоит:

- в совершенствовании метода расчета технологических параметров и несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах;

- в определении методики и проведении экспериментальных исследований, сопоставлении полученных результатов с расчетными данными;

- в разработке алгоритма расчета инъекционных свай в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий;

- в практическом использовании метода расчета технологических параметров и несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах.

На защиту выносятся:

• метод расчета технологических параметров для устройства инъекционных свай в глинистых грунтах с учетом характеристик глинистых грунтов и размеров инъектора;

• метод расчета несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах для условий реконструкции зданий с учетом радиального уплотнения грунта вокруг их ствола;

• результаты сопоставления экспериментальных и расчетных данных;

• результаты практического использования диссертационной работы.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано двенадцать научных работ, в том числе три патента РФ на полезную модель, одна статья без соавторов и две статьи в журналах, входящих в перечень изданий ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и пяти приложений.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Шалгинов, Роман Валерьевич

Выводы по главе 4

1. На основе результатов испытаний инъекционных свай статической вдавливающей нагрузкой в глинистых грунтах дается оценка их сопротивления под пятой и на боковой поверхности.

2. Для оценки была принята методика Б.И. Далматова - Ф.К. Лапшина (1975 г.), которая применялась для забивных свай в слабых грунтах. На основе обработки экспериментальных данных установлена закономерность изменения несущей способности инъекционной сваи по боковой поверхности в зависимости от степени расширения скважины (отношения диаметра сваи к диаметру скважины) и консистенции глинистого грунта.

3. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений усилия вдавливания инъектора показало, что предложенный метод расчета может использоваться с точностью 65 - 75 %.

4. Анализом установлено, что значения давления инъекции, вычисленные для упругопластической грунтовой среды (без учета ее упрочнения) по предложенному алгоритму, меньше экспериментальных значений на 20 - 45 %. Поэтому в расчетах для большей достоверности вычисленные значения давления инъекции должны быть увеличены на 40 % для суглинков мягко-текучепластичных и супесей пластичных.

5. Расхождение теоретических и экспериментальных значений плотности грунта в пристенном слое не превышает 5 - 10 %, а удельного сцепления - 13 - 17 %. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало, что расчетные значения несущей способности инъекционных свай в глинистых грунтах меньше экспериментальных значений на 30 - 35 %.

6. Выявлена связь между давлением инъекции при устройстве инъекционной сваи и ее несущей способностью в глинистых грунтах. 7. Установлено, что радиальное уплотнение глинистого грунта вокруг инъекционной сваи приводит к увеличению его сопротивления на боковой поверхности сваи в 1,2 - 1,3 раза.

8. Результаты диссертационной работы внедрены при усилении фундаментов двух реконструируемых зданий в г. Томске. Для дальнейшего развития темы диссертационной работы разработаны и защищены патентами РФ на полезные модели: инъекционная свая для слабых грунтов и два конструктивных решения инъектора. В диссертации также подробно описаны способы усиления фундаментов с использованием инъекционных свай.

191