Delist.ru

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

Автор: Ле Суан Тхо

Третья глава посвящена изложению результатов численного моделирования НДС слабого основания с грунтоцементными сваями и сравнительному его анализу с аналитическими методами и работой грунтовых свай-дрен. Глава начинается с краткого изложения теоретических основ метода конечных элементов (МКЭ) и особенностям использования программы Плаксис (“PLAXIS”) для изучения НДС оснований сооружений.

Применительно к поставленным задачам исследований нами, используя далее методы математического моделирования (МКЭ) в условиях плоской задачи, моделировалась работа сначала одной, а затем двух грунтоцементных свай в слое слабого грунта (рис. 5).

Рис.5. Схема численного моделирования блока слабого грунта (а) и характер его осадки (Е0 = 5,0 МПа; ?0= 100; Сw = 6 кН/м2) с учетом двух грунтоцементных свай (Есв= 350 МПа) и диаметром 0,6 м и внешней нагрузке Р0 = 100 кН/м2.

Значительный практический интерес представляет анализ сравнения результатов численного моделирования деформирования слабого основания с грунтоцементными сваями под постоянной внешней нагрузкой Р0 и аналогичных результатов, но полученных с использованием теоретической формулы (2). При этом в процессе сравнения результатов прогноза осадок, выполненных с использованием численного моделирования по программе “PLAXIS” и полученных по формуле (2), нами был проведен анализ влияния на степень сходимости этих результатов некоторых параметров, входящих в формулу (2), и в первую очередь величины коэффициента Кfmax, угла внутреннего трения и сцепления слабого грунта.

Рис.6. Относительная осадка ?укр/?0 слабого грунта в зависимости от отношения L/D при Есв = 350 МПа; Е0 = 5 МПа; Р0 = 10 МПа; ?0= 0,71; ?0=100; сw=0,03 МПа; Кf= 3,0.

Для выяснения, в какой степени на характер НДС насыпного слоя повлияют грунтоцементные сваи, которые в сравнении со сваями-дренами имеют существенно больший модуль деформации, нами было выполнено численное моделирование работы слоя насыпного грунта hнас мощностью 0,6м, расположенного на блоке слабого грунта усиленного грунтоцементной сваей диаметром 0,2м. Для сравнения аналогичная модель была рассчитана и для случая, когда блок слабого грунта усиливался песчаной сваей-дреной. Внешняя статическая нагрузка Р0 в том и другом случае равнялась 100кН/м2. Анализируя результаты этого моделирования, можно отметить, что в насыпном слое, расположенном над грунтоцементной сваей (рис.7а), также как и над сваей-дреной (рис.7б) наблюдается зона концентрации касательных напряжений. Причем, размеры ее оказываются несколько больше, нежели в случае расположения насыпного слоя над “мягкой” сваей-дреной.

Рис. 7. Зона концентрации максимальных касательных напряжений в слое насыпного грунта над грунтоцементной сваей(а) и сваей-дреной(б).

Снижение диаметра свай приводит к получению более однородного НДС насыпного слоя, но и в этом случае НДС слоя оказывается менее однородным в сравнении с аналогичной конструкцией из свай-дрен, и только при снижении величины внешней нагрузки в четыре раза (Р0=25,0кН/м2) удается получить одинаковый уровень однородности НДС насыпного слоя над грунтоцементными и грунтовыми сваями-дренами (рис.8).

Рис.8. Области концентрации максимальных касательных напряжении в насыпном грунте на слабом основании с грунтоцементными сваями (а) и сваями-дренами (б) при диаметре D= 0,1 м и Р0 = 25 МПа.

для грунтоцементных свай оказываются выше. Полученный результат представляется нам вполне логичным, т.к. рост диаметра свай увеличивает как степень неоднородности НДС насыпного слоя, так и расстояния L между осями свай.

от степени насыщенности ?% слабого основания между грунтоцементными сваями и грунтовыми сваями-дренами при одинаковом диаметре сваи D

Полученный результат объясняется, по-прежнему, тем, что грунтоцементные сваи оказываются гораздо более жесткими в сравнении с грунтовыми “мягкими” сваями-дренами, и поэтому для нивелирования деформационной неоднородности основания с грунтоцементными сваями требуется более мощный слой насыпного грунта.

Дополнительно это можно проиллюстрировать, сравнивая характер накопления относительных деформаций слабого основания (рис.10) в зависимости от расстояний между грунтоцементными сваями и сваями-дренами, построенных в одинаковых условиях численного примера.

Рис.10. Характер изменения относительной осадки ?укр/?o слабого основания от вида грунтовых свай и их взаимной удаленности L/D.

Из анализа этих кривых, в частности, следует, что в равных условиях грунтоцементные сваи оказываются на 5-10% эффективнее грунтовых свай-дрен. При увеличении L до 6хD эффективность тех и других свай падает.

В этой связи представляется вполне оправданным использовать геосинтетические материалы (георешетки и геосетки), укладываемые поверх оголовков грунтоцементных свай, что, несомненно, будет способствовать формированию более однородного НДС слоя насыпного грунта и снижению его минимально-необходимой мощности.

Результаты исследований были использованы нами для прогноза осадок реальной насыпи, сооружаемой на строящемся полигоне в Московской области. Высота насыпи достигала 9,5 м, а ее основание было представлено слоистой толщей пылеватых суглинков различной мощности с гнездами и прослоями торфа, приведенных на инженерно-геологическом разрезе рис.11. Инженерно-геологическая характеристика элементов профиля дана в таблице 3.2.

Для укрепления основания и снижения осадок насыпи, и соответственно дренажного коллектора на глубине около 2,0 м, проектом предусматривалось устройство в ее основании грунтоцементных свай диаметром 0,6м, сооружаемых по струйной технологии. Задача заключалась в необходимости прогноза осадки данной насыпи в зависимости от шага грунтоцементных свай.

Рис.11. Инженерно-геологический разрез основания насыпи

При прогнозе нами рассматривались два варианта укрепления основания грунтоцементными сваями. Первый вариант предусматривал устройство грунтоцементных свай-стоек длиной 9,2м, второй – устройство висячих грунтоцементных свай длиной 6,8м.

При этом принималось с запасом, что на всю глубину вертикальные сжимающие напряжения постоянны и равны по величине давлению насыпи, т.е. Р0 =0,19МПа. Физико-механические характеристики грунтов ИГЭ представлены в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п ИГЭ Характеристика

1 1А Насыпной грунт мощностью 0,6 м

2 9М Суглинок легкий пылеватый светло-коричневый;

М- мягкопластичной консистенции. (hсл= 1,0 м)

3 12п Суглинок легкий пылеватый темно-серый иловатый с гнездами торфа; п- полутвердой. (hсл= 1,4 м)

4 14А Торф сильноразложивщийся; очень влажный, избыточновлажный. (hсл= 0,6 м)

5 13тп Суглинок легкий пылеватый темно-серый иловатый с гнездами торфа и заторфованного грунта, с прослоями песка, насыщенного водой; тп- текучепластичной консистенции. (hсл= 2,4 м)

6 16М Суглинок легкий песчанистый оранжеванто-коричневый с прослоями песка и супеси, с щебнем, гравием и валунами до 10%; М- мягкопластичной. (hсл= 0,8 м)

Прогноз выполнялся нами с использованием ранее полученной теоретической формулы (2) и численных методов программы «Plaxis».

Результаты расчетов для варианта свай-стоек и висячих свай приведены соответственно в таблице 2. Сравнение полученных данных по прогнозу осадки показывает, что наибольший эффект достигается в варианте грунтоцементных свай-стоек и при их расположении с шагом L=1.5м.

На рис. 12 представлены последовательно зоны развития максимальных касательных напряжений в основании насыпи без свай и когда применяются грунтоцементные висячие сваи и сваи-стойки. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что на НДС слоистого основания грунтоцементные сваи оказывают достаточно сильное влияние, которое выражается в существенном снижении уровня девиаторных и нормальных напряжений.

Рис. 12. Зоны развития максимальных касательных напряжений в основании насыпи: без свай (а), со грунтоцементными висячими сваями (б) со грунтоцементными сваями-стойками(в).

Таблица 2

грунтоцементных свай Осадка

?укр [м] L=1,5 м L=2,0 м L=3,0 м

стойки По формуле (2) 0,247 0,264 0,304

по Plaxis. 0,099 0,176 0,218

висячие По формуле (2) 0,271 0,284 0,316

загрузка...