Full Text

Введение Последние 10-15 лет ознаменовались появлением на российском строительном рынке большого количества геотехнических фирм (как отечественных, так и международных). Развитие геотехнологий на базе современного оборудования позволило по-новому взглянуть на методы устройства искусственных оснований зданий и сооружений. Практика геотехнического строительства естественным образом стимулирует развитие расчетных методик, инженерных изысканий, регулирующих документов. Естественно, что многообразие природно-климатических, инженерно-геологических и организационно-правовых факторов на территории России требует проведения всестороннего анализа, тщательных расчетов и нормативного обоснования принимаемых решений. В качестве примера рассмотрим различные аспекты применения одной из разновидностей буросмесительного метода. 1. Описание метода глубинного перемешивания грунта Технология глубинного перемешивания грунта (англ. deep soil mixing, DSM) получила широкое применение в мире для устройства различного вида грунтоцементных элементов [1]. Методика заключается в перемешивании грунта природного сложения с вяжущим материалом практически без извлечения бурового шлама наружу (рис. 1). Глубинное перемешивание грунта (ГПГ) предусматривает создание элементов закрепленного вяжущим грунта требуемой формы, размеров, а также прочностных и деформационных характеристик. Применение технологии распространяется как на преобразование грунтовых оснований [2], так и на ограждение котлованов [3]. Рис. 1. Технологическая схема производства работ по технологии глубинного перемешивания грунта Fig. 1. Technological scheme of works on deep soil mixing technology Существуют различные варианты подачи вяжущего вещества: сухое (Dry DSM) и мокрое (Wet DSM) перемешивание. Технология заключается в погружении в массив грунта буровой трубы со специальным смесителем, состоящим из поперечных лопастей и специального режущего наконечника. Смеситель имеет сопла для подачи вяжущего материала под давлением. 2. Оборудование для производства работ В качестве базового оборудования для технологии глубинного перемешивания грунта DSM могут применяться как универсальные установки роторного бурения, например Liebherr серии LRB или Bauer типа BG (рис. 2), так и специально изготовленные станки для перемешивания. Кроме того, устройство грунтоцементных элементов методом глубинного перемеши-вания требует наличия специально разработанного оборудования, включающего в себя растворный узел, станцию для перемешивания и насос для подачи раствора под давлением через буровую штангу в смеситель (рис. 3). Погружение буровой трубы со смесителем происходит без значительной вибрации с одновременной подачей вяжущего. После достижения проектной глубины наступает фаза формирования элемента усиления DSM обычно диаметром от 400 до 2000 мм. В это время вращающийся и подтягиваемый вверх смеситель обеспечивает равномерное смешивание вяжущего с грунтом. В результате формируется грунтоцементный элемент круглого сечения (колонна). В зависимости от грунтовых условий, требуемого сечения грунтоцементного элемента, необходимости заглубления в достаточно плотный несущий слой, а также для исключения скоплений неперемешанного грунта применяются различные виды смесителей. Для создания грунтоцементных элементов прямоугольного сечения и часто для сплошного перемешивания грунта применяется гидрофреза. Рис. 2. Установки роторного бурения с навесным оборудованием для мокрого глубинного перемешивания грунта Fig. 2. Rotary drilling rigs with equipment for wet deep soil mixing Рис. 3. Растворно-насосные станции для технологии ГПГ Fig. 3. Pump and grout mixing stations for DSM technology Технологический режим может предусматривать несколько циклов поднятия-опуска-ния (проходок) смесителя с непрерывным вращением. В ходе перемешивания может варьироваться количество проходок на заданной глубине для улучшения перемешивания слоя плотного глинистого грунта или случая чередования песчаных и глинистых слоев грунта. Длина сформированного таким образом грунтоцементного элемента с применением стандартных буровых установок может достигать 25-30 м, а специальное оборудование позволяет осуществлять перемешивание на глубину до 70 м от рабочей платформы. 3. Расчетные предпосылки В зарубежной практике накоплен значительный опыт проектирования [4-6] и производства работ по технологии DSM [7-9]. Анализ международного опыта позволяет выделить различные подходы для проведения расчетов преобразованных грунтовых массивов грунта по двум группам предельных состояний применительно к российской нормативной базе: - расчеты по методикам СП 22.13330 (с определением приведенного модуля общих деформаций армированных слоев грунта) и СП 24.13330 (как свайный или условный фундамент); - расчет методом ячейки, включающей бетонный армирующий элемент и окружающий его грунт (решение осесимметричной задачи); - расчеты методом численного моделирования с использованием трехмерных конечно-элементных программных комплексов. Согласно разделу 16 СП 22.13330 глубинное перемешивание DSM относится к закреплению грунтов цементацией по буросмесительной технологии. В зависимости от диаметра и шага элементов усиления здесь предусмотрено использование расчетных схем как для свайных фундаментов или преобразованных массивов. Проведение расчетов преобразованных массивов грунта с применением технологии глубинного перемешивания по двум группам предельных состояний имеет ряд особенностей [10]: 1) в зависимости от расположения в плане грунтоцементных элементов (отдельные элементы, блок элементов, сплошное перемешивание) будет преобладать либо расчет по несущей способности, либо по деформациям; 2) в случае отдельных грунтоцементных элементов (круглого или прямоугольного сечения), расположенных с определенным шагом, обеспечивающим передачу нагрузки раздельно каждым элементом, представляется целесообразным проведение расчета по аналогии с буронабивными сваями; 3) основными критериями здесь будут выступать прочность материала грунтоцементных элементов (основополагающий фактор в отличие от классических свай), наличие их заглубления в несущий слой; 4) в качестве базового параметра для выбора расчетной методики в действующих нормах используется диаметр закрепленных по буросмесительной технологии массивов (столбов): так, при диаметре от 0,6 до 1,0 м проектирование должно быть выполнено как для свайных фундаментов в соответствии с СП 24.13330; 5) в то же время при создании эффекта армирования грунта следует вести проектирование в соответствии с разделом 5 СП 22.13330, т.е. по принципам расчета естественных грунтовых оснований; 6) очевидно, что и при диаметрах, не попадающих в указанный диапазон, может проявиться свайный характер работы искусственного основания под нагрузкой (шаг в несколько диаметров, наличие малосжимаемого слоя под подошвой грунтоцементного элемента). Следует отметить, что наиболее эффективным является сочетание аналитических и численных методов расчета с применением трехмерных моделей, в частности в программном комплексе Plaxis (рис. 4). Моделирование в современных программных комплексах позволяет выявить места концентрации напряжений в грунтоцементных элементах, определить их оптимальную расстановку в плане и по глубине. Следует отметить, что в отличие от железобетона свай при проектировании преобразованного массива ограничивающим фактором является именно напряжение в грунтоцементе, тогда как несущая способность по грунту превышается крайне редко [11]. Несмотря на то что действующие СНиП регламентируют общие методики расчета преобразованных грунтов, а также проведение работ по технологии глубинного перемешивания (как разновидности буросмесительного способа), для выполнения проектов, успешного прохождения их в государственной экспертизе неотъемлемым условием является разработка узконаправленных нормативных документов, дополняющих требования СНиП. В качестве такого документа может выступать стандарт организации, разработанный на базе НИИОСП им. Герсеванова для технологии DSM компании «Келлер» [12]. Рис. 4. Пример результатов численного моделирования Fig. 4. Example of numerical modelling results Стандарт организации призван решить спорные вопросы относительно проектирования и производства работ по технологии глубинного перемешивания, в частности: - установить применимость технологии в различных грунтовых условиях; - определить перечень требований для преобразования грунтов в основании зданий различного уровня ответственности; - конкретизировать требования проектирования по двум группам предельных состояний; - уточнить мероприятия по контролю качества работ и необходимым испытаниям. 4. Контроль производства работ Контроль качества работ по технологии ГПГ/DSM включает в себя различные этапы: входной, операционный, приемочный. Основой операционного контроля в режиме реального времени являются автоматизированные системы определения и записи производственных параметров буровой установки и насосной станции [13], позволяющие анализировать и при необходимости корректировать следующие параметры: - расход вяжущего материала и его соотношение с водой в растворе; - расход добавок при их наличии; - давление и скорость подачи вяжущего и/или его водного раствора; - скорость вращения и поступательного перемещения смесителя; - глубину погружения смесителя; - крутящий момент и усилие вдавливания; - фактический расход вяжущего или его раствора в объеме преобразованного грунта. Методы обеспечения и контроля качества для сухого [14] и мокрого [15] перемешивания имеют ряд особенностей, связанных главным образом с прочностью грунтоцемента. Например, если для сухого перемешивания зачастую применяется зондирование, то для мокрого - разрушающие методы (стандартные кубики и керны). 5. Пример практического применения Компанией «Келлер» при научно-консультационной поддержке специалистов НИИОСП им. Герсеванова был разработан проект усиления грунтового основания по технологии глубинного перемешивания грунта в основании фундаментной плиты многоэтажного здания по ул. Мира в г. Краснодаре. По инженерно-геологическим условиям в соответствии с СП 11-105-97 площадка относится к III (сложной) категории сложности. Расчетная сейсмичность площадки по итогам геофизических исследований принята равной 7 баллам. Необходимость устройства искусственного основания под фундаментную вызвана наличием в сжимаемой зоне слабых грунтов ИГЭ-5, ИГЭ-6, суглинков мягко- и текучепластичной консистенции (рис. 5). При среднем давлении под фундаментой плитой свыше 300 кПа с концентрацией до 410 кПа неравномерность осадок на естественном основании превышала бы допустимые значения. С учетом развития подтопления района площадки строительства и в целом г. Краснодара прогнозировались длительные осадки глинистых грунтов основания. Рис. 5. Характерный разрез площадки строительства Fig. 5. Typical cross-section of the construction site Базовое проектное решение предусматривало устройство буронабивных свай диаметром 800 мм под защитой обсадных труб или непрерывным полым шнеком длиной до 23 м с заглублением в плотные пески средней крупности. С учетом стесненности площадки строительства, необходимости армирования свай на всю длину в условиях сейсмики, а также для повышения производительности была предложена альтернативная технология для преобразования строительных свойств грунтов. Концепция устройства искусственного основания по технологии ГПГ предусматривает выполнение грунтоцементных колонн DSM диаметром 1050-1100 мм, длиной до 9 м (рис. 6). Предложенное техническое решение устройства преобразованного основания по технологии глубинного перемешивания грунта по сравнению с базовым проектным решением - буронабивными сваями по технологии непрерывного полого шнека - показало снижение затрат до 35 %; по сравнению со струйной цементацией - до 30 %. Рис. 6. Фрагмент расположения грунтоцементных элементов в плане высотной части и паркинга Fig. 6. Fragment of soil-cement elements layout in the areas of the high-rise part and parking В ходе проведения работ по устройству грунтоцементных колонн, а также до момента окончания строительства предусмотрено проведение геотехнического мониторинга, включающего в себя: - испытания грунтоцементных кубиков, отобранных непосредственно из элементов усиления; - отбор кернов из готовых грунтоцементных колонн; - испытания отдельной грунтоцементной колонны статической нагрузкой для сопоставления проектных жесткостных характеристик с полученными в натуре; - наблюдения за осадками здания в процессе строительства. Выводы Технология глубинного перемешивания грунта представляет несомненный интерес с точки зрения научного изучения, нормативно-технического обоснования, а также расширения практического применения. Проведение дальнейших исследований с одновременным развитием руководящих документов позволит более успешно применять данную технологию при решении различных геотехнических задач.

About the authors

F. F Zekhniev

Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures

D. A Vnukov

Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures

A. I Korpach

Vremya LLP, Keller Group plc

References

Statistics

Views

Abstract - 164

Refbacks

• There are currently no refbacks.