Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками
как один из эффуктивных методов
подготовки оснований
Г.И. Швецов,
д.г.-м.н.,
член-корреспондент РААСН,
профессор Алтайского государственного
технического университета им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул
Б.М. Черепанов,
к.т.н.,
доцент Алтайского государственного
технического университета им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул
Согласно СНиП 2.01.09-91 [1] проектирование зданий и сооружений для строительства на просадочных грунтах при возможности их замачивания следует осуществлять с приме-нением одного из принципов защиты: а) устранение проса-дочных свойств грунтов в пределах просадочной толщи уп-лотнением их или закреплением; б) прорезка просадочной толщи свайными фундаментами с передачей всей нагрузки и сил отрицательного трения проседающего грунта на подсти-лающие непросадочные грунты; в) комплекса мероприятий, включающих конструктивные меры защиты, повышающие не-сущую способность зданий при деформации грунтов при за-мачивании, и водозащиту грунтов основания.
Устройство свайных фундаментов из забивных призмати-ческих железобетонных свай сечением 30х30 и 35х35 см длиной 7-9, а иногда и более 12 метров, как правило, обеспе-чивает устойчивость зданий и сооружений при аварийном за-мачивании или подтоплении территорий. Однако, стоимость этого варианта фундамента довольно высока, что в сего-дняшних сложных экономических условиях является немало-важным фактором.
Закрепление грунтов силикатизацией, смолизацией, це-ментацией и другими методами также требует больших фи-нансовых вложений.
Проведение комплекса конструктивных и водозащитных мероприятий лишь снижает, как показывает практика, а не ликвидирует возможность возникновения аварийного состоя-ния зданий и сооружений в процессе эксплуатации.
Остается подготовка грунтовых оснований уплотнением грунтов каким-либо из способов. Из многочисленных методов наиболее надежным и экономичным является поверхностное уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками. Применение трамбовок массой 15-25 т и диаметром 2,5-3,0 метра позво-ляет достигнуть полного устранения просадочных свойств грунтов в пределах всей просадочной толщи (при мощности 5-6 метров) или верхней зоны просадки, что достаточно в грунтовых условиях I типа по просадочности. При таком под-ходе возникает один существенный “минус” – механизмы, способные работать с такими трамбовками. В Алтайском крае и, в частности, в г. Барнауле таких механизмов нет. Прихо-дится идти по другому пути: использовать максимально воз-можные по массе трамбовки в пределах 7-10 тонн и разраба-тывать для них технологии, позволяющие достигнуть необхо-димой глубины уплотнения.
Первый такой шаг был предпринят совместными усилия-ми кафедры “Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия” Алтайского государственного технического уни-верситета им. И.И. Ползунова (каф. ОФИГиГ АлтГТУ) и ЗАО “Управление механизации № 8”.
В период с 1992 по 1998 го-ды проводились экспериментальные исследования по отра-ботке технологии уплотнения лессового просадочного осно-вания тяжелыми трамбовками с созданием уплотненной зоны мощностью 5-6 метров [2]. При трамбовании использовалась копровая установка на базе экскаватора ЭО-1252“Б”. Исходя из грузоподъемности имеющегося механизма и из соображе-ний минимального износа основных частей установки при трамбовании на первом этапе исследований использовалась трамбовка массой 7 т. Для увеличения удельного статическо-го давления на грунт до 60 кПа, в ущерб производительности, площадь основания трамбовки была принята равной 1,2 м2. Энергия удара, при высоте сбрасывания 6-7 метров состави-ла 500-700 кДж. В дальнейшем, после получения удовлетво-рительных результатов, была разработана трамбовка массой 10 тонн и диаметром 1,5 метра при том же значении удельно-го статического давления на грунт. Это позволило увеличить энергию удара трамбовки и производительность работ при уплотнении грунтов.
Исследования проводились в юго-западной части г. Бар-наула в незастроенном микрорайоне. В геоморфологическом отношении исследуемая территория расположена в пределах Приобского плато. Верхняя часть инженерно-геологического разреза сложена суглинками твердыми, высокопористыми, I-го типа по просадочности мощностью слоя 6-7 метров.
Уплотнение грунта производилось при природной влаж-ности близкой к оптимальной. В результате исследований было достигнуто создание уплотненной зоны мощностью 5-6 метров. Осредненные по глубине значения физико-механических свойств грунтов до и после уплотнения пред-ставлены в таблице 1. При анализе таблицы видно, что при уплотнении происходит повышение прочностных и деформа-ционных свойств грунта. Осредненное значение плотности сухого грунта составляет 1,783 г/см3, что на 25% выше осред-ненного значения плотности сухого грунта в естественном со-стоянии. Причем в верхней части уплотненного основания плотность сухого грунта при уплотнении возросла на 40% и достигла значения 1,95 г/см3 (рис. 1).
Таблица 1
Физико-механические характеристики
лессового грунта экспериментальных площадок
до и после уплотнения
Рис. 1.
Рис. 2.
Но, несмотря на явное улучшение свойств в результате трамбования тяжелыми трамбовками, уплотнение грунтов не всегда позволяет достигнуть желаемых результатов. Причи-ны этого во многом кроются в сложности изменений, проис-ходящих в грунте в процессе его уплотнения, недостаточно-сти изученности природы деформируемости лессовых грун-тов под нагрузкой на микроструктурном уровне с учетом их структурно-текстурных особенностей.
С целью выявления структурных изменений в лессовых грунтах под воздействием уплотнения тяжелыми трамбовка-ми проводились микроструктурные исследования уплотнен-ного грунта и грунта, находящегося в естественном состоя-нии. Микроструктура грунта естественного сложения сложена округлыми глинисто-пылеватыми агрегатами и зернами в среднем размером 15-30 мкм. Глинистый материал располо-жен, в основном, на поверхности глобул в виде сплошной “рубашки” и в местах контакта частиц, образуя между ними “мостики”, через которые и происходит контактирование твердых структурных элементов. Общая пористость грунта составляет 48,5% и на 85% состоит из мелкозернистых и межмикроагрегатно-зернистых микропор изометричной фор-мы. В целом микроструктуру лессового грунта природного сложения можно отнести к скелетному типу (по В.И. Осипову) [3].
Уплотнение лессового грунта тяжелыми трамбовками приводит к коренному изменению его микроструктуры. Под влиянием динамического уплотнения происходит максималь-ное сближение основных элементов лессового грунта, интен-сивное разрушение глобул и агрегатов. Формируется новая матричная структура, отличающаяся от природной высокой степенью уплотнения, минимальной и относительно одно-родной пористостью массы взаимно заклинившихся частиц, получивших наиболее плотную упаковку и увеличение числа контактов между ними.
Все исследования, как отмечалось выше, проводились на лессовых просадочных грунтах при влажности близкой к оп-тимальной. При степени влажности грунта выше оптималь-ной, особенно при коэффициенте водонасыщения более 0,6 грунт плохо поддается уплотнению и в некоторых случаях не уплотняется, а “разжижается” теряя при этом свои прочност-ные и деформационные свойства. Не исследован также во-прос об уплотнении мерзлых грунтов, а точнее предельное промерзание, при котором возможно трамбование. Кроме то-го, применение тяжелых трамбовок ограничено из-за отсутст-вия данных о сейсмобезопасных расстояниях до существую-щих зданий, находящихся в аварийных и удовлетворитель-ных состояниях в условиях городской застройки.
Для исследования лессовых грунтов различных генетиче-ских типов, находящихся в мерзлом состоянии или при влаж-ности выше оптимальной на кафедре ОФИГиГ АлтГТУ созда-на специальная, не имеющая аналогов малогабаритная уста-новка. Данное устройство позволяет с гораздо меньшими ма-териальными и финансовыми затратами на основе модели-рования разрабатывать технологию трамбования для выше-названных условий и исследовать влияние динамики на близко расположенные здания и сооружения. Эксперимен-тальные работы по исследованию грунтов с использованием малогабаритной установки планируется провести в 2002-2003 годах на строительных объектах ОАО “СтройГАЗ”. “Пилот-ные” испытания были проведены осенью 2001 года и уже по-лучены первые результаты.
Разработка новых методов уплотнения грунтов находя-щихся в мерзлом состоянии и при различной влажности по-зволит заменить свайные фундаменты фундаментами мелко-го заложения на уплотненном основании, что существенно снизит сметную стоимость возведения фундаментных конст-рукций.
Список литературы:
1. СНиП 2.01.09-91. Здания и сооружения на подраба-тываемых территориях и просадочных грунтах / Госстрой России.-М.: ГУП ЦПП, 1998. - 36 с.
2. Черепанов Б.М. Новая высокоэффективная техно-логия уплотнения просадочных грунтов трамбовками повы-шенного веса / Вестник АлтГТУ им. Ползунова. – Барнаул, 2000. - №1 – С.117-124.
3. Швецов Г.И., Черепанов Б.М., Вяткина Е.И. Техно-логия уплотнения лессовых грунтов трамбовками повышен-ного веса и изменение микроструктуры под их воздействием / Вестник ТГАСУ. – Томск, 2000. – С.327-336.
|
