Delist.ru

Обеспечение стабильности слабых оснований дорожных насыпей с помощью грунтоцементных свай (08.02.2011)

Автор: Ле Суан Тхо

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 конструкций, 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.

Достоверность полученных результатов обоснована:

строгостью исходных предпосылок и применяемых методов исследований, базирующихся на известных положениях механики грунтов, и строительной механики;

сопоставлением результатов теоретического анализа с результатами численного моделирования с использованием МКЭ;

квалифицированным использованием известной лицензионной программы Плаксис (software Plaxis version 8.2).

На защиту выносятся:

результаты теоретического анализа влияния на повышение несущей способности слабого основания грунтоцементных свай;

результаты аналитических и численных исследований на математических моделях особенностей НДС слоя насыпного грунта и элемента слабого основания с учетом присутствия грунтоцементных свай;

результаты сравнения полученных результатов с результатами численного моделирования по МКЭ;

прогноз осадок насыпи на слабом основании реального объекта и рекомендации по практическому учету полученных результатов при проектировании и строительстве автомобильных дорог на слабых основаниях.

Апробация работы и публикации.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) в 2010г. По материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и общих выводов. Основной текст диссертации содержит 146 стр. печатного текста, 109 рисунков и 16 таблиц. Библиография состоит из 70 наименований использованных литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована ее цель, научная новизна и практическая значимость.

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению основных проблем, связанных со строительством дорожных насыпей на слабых грунтах в России и в других странах. Отмечается, что эта проблема в России и во Вьетнаме не потеряла своей актуальности и в настоящее время.

Особую остроту проблема строительства дорог на слабых грунтах приобрела в начале 60-х годов прошлого века в связи с созданием транспортной сети для освоения богатых природных ресурсов Севера Европейской части бывшего СССР и Западной Сибири

Важное значение имело развитие исследований в области использования слабых грунтов в основаниях строительных сооружений, выполненных в гидротехническом и мелиоративном строительстве (КП.Лундин, И.И.Вихдяев, П.А.Дрозд, А.М.Силкин и другие), промышленном и гражданском строительстве (Б.И.Далматов, М.Ю.Абелев, Н.Н.Морарескул, А.С.Строганов и другие), а также по изучению свойств различных слабых грунтов (Л.С.Амарян, И.М.Горькова, С.С.Корчунов, Н.Я. Денисов, И.И.Лиштван, Г.В.Сорокина, А.К.Ларионов и др.).

Применительно к задачам дорожного строительства в составе нового направления исследований широкий круг вопросов, связанных с устройством переходов через торфяные болота, рассмотрен в работах И.Е.Евгеньева, В.Д. Казарновского, Э.М. Доброва, В.Н. Яромко, Э. К. Кузахметовой и др.

Разработка инженерных конструкций и методов расчета оснований на слабых грунтах интенсивно проводилась также и в США (LCasagrande, W.Weber и др.), в Канаде (K.Anderson, I.Mac Farla ne, R.Redforth), в Швейцарии (A.Moos, F.Jaecklin и др.), во Франции (F .Bourges, G.Pilot и др.), в ФРГ (R.Floss, A.Ducker и др.), Нидерландах, Японии и других странах.

Далее, в этой главе изложена краткая инженерно-геологическая характеристика основных представителей слабых грунтов на Севере Вьетнаме и их частные классификации. Рассмотрены наиболее распространенные конструкции земляного полотна на переходах через болота и отложения слабых грунтов. Отмечается, что одной из наиболее эффективных является конструкция из вертикальных песчаных свай, которые, сокращая путь фильтрации, не толко уменьшают время накопления осадки насыпи, но согласно исследованиям И.Лейка и Фрэзера, Свен Хансбо, А.Г. Полуновского, А. С. Мохаммеда, Чан Куок Дата могут значительно повысить устойчивость слабого основания, проявляя так называемый эффект сваи, или эффект колонны («pile effect», «column effect»).

Отмечается, что 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 и представляет собой метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора, в результате чего в грунте образуются цилиндрические колонны-сваи диаметром до 2000 мм. Далее кратко излагается сущность струйной технологии и физико-механические характеристики получаемого грунтоцементного материала. Указывается, что грунтоцементные сваи по своей структуре имеют значительное сходство с буронабивными сваями, в связи с чем их расчет выполняется в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» по первой и второй группам предельных состояний, связанных с проверкой прочности материала свай, несущей способности грунта основания свай и осадками фундаментов. Однако, делается вывод, что при использовании грунтоцементных свай в дорожном строительстве для усиления слабых оснований эти критерии являются недостаточными.

В этой связи основной целью настоящей диссертационной работы является разработка теоретических и методических основ прогноза степени увеличения общей несущей способности слабых оснований дорожных насыпей за счет устройства вертикальных грунтоцементных свай и разработка рекомендаций по их применению в сложных инженерно–геологических условиях России и Вьетнама..

Вторая глава диссертации содержит результаты теоретического анализа особенностей формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) слоя слабого грунта ограниченной мощности, расположенной около грунтоцементной сваи в условиях плоской задачи (рис.1).

В этой схеме принято, что на поверхности слоя приложена равномерно распределенная нагрузка от веса насыпного грунта Р0. Вертикальные сжимающие напряжения ?z по глубине слоя hсл являются постоянными (?z = const), собственный вес грунта пока ? не учитываем. Очевидно, что под воздействием внешней нагрузки Р0 слой слабого грунта будет давать осадку ?0, вызванную деформациями уплотнения.

Рис.1. Схема работы грунтоцементной сваи-стойки в слое слабого грунта мощностью hсл, где D- диаметр сваи; L- зона влияния сваи; lсв- длина сваи-стойки, равная hсл; E0- модуль деформации [МПа] слабого грунта.

Наличие сваи-стойки в рассматриваемом (рис. 1) элементе слоя слабого грунта, очевидно, выразится в появлении сил трения ?z на цилиндрической поверхности сваи между грунтоцементном и слабыми грунтом. Вполне вероятно, что возникающие силы трения будут максимальны именно на этом контакте, но по мере удаления от сваи в стороны слоя слабого грунта эти усилия и напряжения будут постепенно затухать. Очевидно также, что возникающие на контакте свая-грунт силы трения будут порождать в пространстве слабого грунта, окружающего сваю, напряжения, которые в той или иной степени будут препятствовать действию вертикальных сжимающих напряжения, возникающих от приложенной нагрузки Р0. Причем, максимальное их воздействие будет прослеживаться именно на контакте грунт-свая. По мере удаления от этой поверхности роль касательных напряжений ?z будет затухать, а роль сжимающих возрастать.

Дополнительные вертикальные и горизонтальные напряжения в массиве грунта от действия сил трения, развивающихся по боковой поверхности сваи при её нагружении внешней нагрузкой, были успешно в свое время определены Ф.К Лапшиным (1979г.) на основе решений Р. Миндлина (1936г.), полученных применительно к действию силы, приложенной внутри упругого полупространства.

Применительно к нашему случаю, когда грунтоцементная свая жёстко опирается на прочный подстилающий слой грунта и представляет практически жесткий неподвижный элемент, силы трения возникают и реализуются в окружающем сваю слабом грунте не от нагрузки на сваю и ее перемещения, а от нагрузки, которая приходится только на слабый грунт и его деформирования применительно в тому или иному модулю деформации Е0 (рис.1). Очевидно, что в этом случае силы трения, возникающие на контакте свая-слабый грунт, будут препятствовать уже не перемещению сваи в грунте, а деформациям слабого грунта относительно сваи. При этом вертикальные напряжения ?z будут в схеме (рис.1) взаимодействия грунта и сваи иметь обратное направление, поглощая в той или иной степени действие нормальных напряжений от внешней нагрузки Р0.

Используя этот аналог, величина этих вертикальных напряжений определяется зависимостью

?z = fср. ?ср , (1)

где: fср- осредненные значения сопротивляемости грунта сдвигу;

?ср – коэффициент, определяющий характер развития и затухания вертикальных напряжений ?z в зависимости от удаления (фактор L/D) расчетной точки от боковой поверхности сваи (L/D=1,0) и коэффициента Пуассона ? рис.2.

Рис. 2. Характер изменения коэффициентов ?ср от отношения L/D.

' влияние необходимо учитывать, поскольку в реальных конструкциях удаленность друг от друга грунтовых, забивных и других свай в слабых основания не превышает (6/7)D.

В конечном итоге, учитывая взаимное влияние двух полей вертикальных напряжений, возникающих в слабом грунте межсвайной зоны от внешней нагрузки Р0 и сил трения, величина осредненной осадки поверхности слоя слабого грунта при его начальном модуле деформации Е0 может быть определена по формуле

. Однако формула (1) действительна только, когда L/D>1.0, т.к. при L=D сваи плотно прилегают к друг другу и задача теряет смысл.

Сокращение деформаций осадок слабого грунта вокруг грунтоцементной сваи было в сваю очередь интерпретировано нами как увеличение общего модуля деформации слабого грунта от начального значения Е0 до значения Еукр. Полученные зависимости позволили, исходя из различных параметров сдвиговой прочности слабого грунта (?w, Cw), его деформируемости (Е0), приложенной нагрузки Р0, диаметра свай D и расстояния L между их осями, подробно проанализировать степень их влияния на осадку слоя слабого грунта и его модуль деформации, определяющих эффективность данного мероприятия в целом.

На рис. 3-4 представлены зависимости степени изменения величины осадки и модуля деформации слабого основания в случае его усиления грунтоцементными сваями в условиях численного примера (hсл = 8,0 м; модуль слабого грунта Е0 = 5 МПа; внешняя нагрузка Р0 = 1,0 МПа; диаметр сваи D = 0,6 м; угол трения слабого грунта ?w = 100; общее сцепление Сw =0,03 МПа) Отсюда, в частности следует, что учет фактора взаимного влияния свай существенно сказывается на степени эффективности грунтоцементных свай.

загрузка...