Технология “Песконасос ”, область практического использования в решении задач фундаментостроения

ТЕХНОЛОГИЯ "ПЕСКОНАСОС ", ОБЛАСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ

«PESKONASOS» TECHNOLOGY, RANGE OF PRACTICAL USE IN PROCESS OF FOUNDATION ENGINEERING PROBLEM SOLVING

О.И. Рубцов, А.Л. Крыжановский, E.K. Конюхова, Д.А. Кассин, M.C. Савин

O.I. Rubtsov, A.L. Krizhanovsky, E.K. Konukhova, D.A. Kassin, M.S. Savin

ГОУВПО МГСУ

В статье изложены теоретические предпосылки и аналитические зависимости для расчета параметров технологии «Песконасос». Описана область использования технологии. Перечислены объекты внедрения технологии.

In this article theoretical preconditions and analytic dependences for operation factors of «Peskonasos» technology calculation are set forth. Range of technology use is described. The objects of adoption of technology enumerated.

Технология "Песконасос "заключается в том, что в стенкн предварительно пробуренной скважины производится впрессование в радиальном направлении сыпучего материала (мелкого щебня, песка, сухой пескоцементной смеси.) Основная задача при этом - существенное увеличение напряжения в грунтовом массиве (основании

сооружения), действующего в горизонтальном направлении ст хх. Если, например, для природного состояния характерно значение о хх= QyZ ( С, - коэф. бокового давления, у - объемна масса грунта, Z - расстояние до поверхности), то после операции впрессовывания сыпучего материала (при использовании достаточно простых технологических приемов) достигается среднее значение ст хх в 5^7 раз превышающее Охх. Следствием этого является резкое увеличение параметров, определяющих качество грунтов в строительном отношении - значения модуля деформации Е и предельного сопротивления сдвигу ( т ) пред. Увеличение значений Е происходит не только в пределах объема впрессованного нового материала, но и в значительной части окружающего массива природного грунта. Определяющее значение при этом имеет:

- 2^3 кратное увеличение (в сопоставлении с природным) суммы нормальных напряжений;

-создание условий работы грунта в зоне упрочнения по схеме "разгрузки" (после предшествующей нагрузки при впрессовании сыпучего материала и увеличения

О хх ).

ВЕСТНИК 4/2010

-цикличность организации процесса впрессования, что положительно сказывается на получаемых значениях Ей, в основном, - на необратимости достигнутого эффекта деформационного упрочнения грунта и сведении на нет релаксации напряжений ахх;

- Строгая адресность области изменения напряженного состояния грунтового массива (основания сооружения);

- Возможность умеренного темпа изменения напряженного состояния (особенно важно для работы в водонасыщенных грунтах, при растянутых во времени процессах фильтрационной консолидации);

- Возможность многократного повторения намеченного увеличения &, а, в необходимом случае, при увеличенных значениях охх

В соответствии с практикой работы НИиППЛ "ПиК" МГСУ впрессовывание сыпучего материала осуществляется в двух вариантах технического решения толкателя:

1) В виде эластичного элемента, расширяющегося при подаче внутреннего давления воздуха или жидкости (происходит впрессовывание окружающего песка); диаметр эластичного толкателя уменьшается при сбросе давления и освободившаяся полость принудительно заполняется новой порцией песка шнековым толкателем. Цикл многократно повторяется до получения отказа, задаваемого, например, по достигнутому давлению впрессования или объему впрессованного сыпучего материала. Тот или иной вариант отказа увязывается с содержанием задачи при проектировании упрочнения основания.

2) В виде металлического защитного пластинчатого стакана с радиальным расширением за счет давления в резиновом баллоне (камере), расположенной в центральной части стакана. Металлические пластины по внешнему контуру защитного стакана имеют и элементы шпековой навивки для подачи песка в продольном направлении из резервного объема.

Имеют большое значение следующие детали технологии:

-Верхняя часть скважины должна быть защищена обсадной трубой. В противном случае не удается достигнуть высокого давления в трубчатой эластичной навивке (выдавливание грунта в скважину в верхней части эластичного толкателя). При решении практических задач давление воздуха или жидкости повышается до 15 и более атм. Такое повышение давления определяет основной положительный момент рассматриваемой технологии. Например, при впрессовании даже достаточно жестокого цементно-песчаного раствора удается поднять давление до 3^5 атм (несовершенство конструкции пакеров , явление гидроразрыва ,иной механизм взаимодействия впрессовываемого раствора с окружающим грунтом).

Повышение давления в трубчатой эластичной навивке до расчетного значения производится ступенями с целью обеспечения многоцикловой эксплуатационной пригодности толкателя. Так, если проектом предусмотрено ё=100мм, Бкон=300 мм,то на практике выполняется 5^6 ступеней увеличения давления ,исходя из ограничения в увеличении радиуса впрессованного материала на каждой ступени в пределах 15^20мм. В этом отношении надежнее оказывается технологическая схема, когда давление создается посредством впрыскивания дозированного объема жидкости - кинематическая схема (давление измеряется). При подаче ступеней давления воздуха - силовая схема (объем впрессованного песка фиксируется) сохранность эластичного толкателя обеспечивается в меньшей степени (неоднородность упрочняемого грунта, природные пустоты на начальной стадии прессовывания). Вопрос выдержки давления

при каждой ступени его нарастания малосущественен при упрочнении неводонасы-щенных грунтов и рассматривается специально при упрочнении водонасыщенных грунтов. Например, рассмотрим регламент работы при кинематической схеме упрочнения. Производится впрыск расчетного объема жидкости, соответствующий увеличению радиуса эластичного толкателя на 15мм и, после этого, сброс давления. Возвратно-поступательным вращением шнекового толкателя обеспечивается заполнение образовавшейся полости из резерва песка внутри обсадной трубы. Производится повторный впрыск заданного объема жидкости и фиксируется максимальное давление. Число выполненных впрысков позволяет оценить диаметр впрессованного сыпучего материала Б, максимальное давление в жидкости при впрыске - возникающее радиальное напряжение в окружающем массиве грунта. Отметим при этом, что рассматриваемой технологии присущ элемент автоматизированного контроля за достигнутым качеством упрочнения грунтового массива. Высокому качеству инженерно-геологических изысканий и проектной работы отвечает соответствие между проектным и фактическим значениями величин Б и фиксируемого максимального давления впрыска.

-При радиальном напряжении на границе эластичного толкателя в пределах 15 атм возникает обширная область грунта, находящегося в состоянии предельного равновесия (внутренний выпор).Для обеспечения "внутреннего выпора" ( особенно при упрочнении грунта в верхней части массива Н), высота эластичного толкателя Ь должна быть ограничена. Анализ указанного вопроса крайне затруднен в связи с недостаточно разработанной теорией описания механических свойств грунтов в условиях общего вида пространственного напряженно-деформированного состояния, большой неопределенностью в формулировке начального (природного) напряженно-деформированного состояния упрочняемого массива грунта, необходимостью учета цикличности нагрузки и разгрузки, влияния темпа нагружения. В практической работе Ь задается в пределах 70-100см, в лабораторных установках -10+15 см.

Для иллюстрации масштаба возможностей при решении практических вопросов геомеханики и использовании упрочнения по технологии "Песконасос "рассмотрим результат крупномасштабного эксперимента, выполненного на строительной площадке Ново-Воронежской АЭС(1990г.). Выполнен эксперимент по практически поступательной осадке внецентренно нагруженного штампа с плановыми размерами 3x3 м на основании, сложенном песком средней плотности маловажным. Нагрузке штампа предшествовало неравномерное в плане "упрочнение" основания, которое осуществлено за счет впрессовывания песка в основание через стенки скважин. Для этого периодически увеличивалось и сбрасывалось давление воздуха Рв в камере, ограниченной эластичной оболочкой. Давление воздуха задается на основе расчетного обоснования его значения. Многократное увеличение и сброс давления воздуха необходимы для увеличения эффективности "упрочнения" и сведения на нет релаксации напряжений а хх (необратимости достигнутого эффекта упрочнения). В эксперименте основание "проработано" на глубину 4,5 м, считая от подошвы штампа. Сетка скважин 1,5x1,5м. Опыт подтвердил широкие возможности в решении практических задач фундаментостроения за счет комбинации воздействий: а гг -от возводимого сооружения; о хх. корректирующее управляемое напряженное состояние. В рассматриваемом случае варианту без упрочнения соответствует не только крен, но и опрокидывание штампа. При "упрочнении" - «переборщили" и штамп получил незначительный крен в сторону меньшей нагрузки на его поверхности.

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

При разработке регламента работ с использованием технологии "Песконасос " должны быть определены 3 основных параметра:

-давление впрессования Рв в эластичном толкателе; -начальный диаметр скважины -расстояние между скважинами Ь.

Необходимые размеры (в плане и по глубине) упрочняемой зоны основания устанавливается на основе данных расчета соответствующей краевой задачи (например, численными методами ) с использованием параметров деформируемости и прочности, характерных для упрочненного грунта.

Рв, Ь связаны между собой и зависят, в первую очередь, от производственных возможностей строительной организации.

Применительно к варианту упрочнения основания, сложенного песчаным нево-донасыщенным грунтом (сцепление с=0),проиллюстрируем определение значений указанных параметров.

Внешний диаметр впрессованного сыпучего материала Б! вычисляется по формуле:

Ре

Д =

№21 45

(рсл.

где (рсл. - угол трения окружающего "слабого грунта" Характерные значения Б1: #1,5+2,5) ¿1.

Напряжение а хх затухают до природных значений (Оп = уТ) на расстоянии (2,5+3,0) Б1= К1 Б1 от центра скважины. Этим определяется необходимое расстояние между скважинами при упрочнении:

Ь = -т—

yLtg2

45° +

(рсл.

V 2 ,

При этом Z -расстояние от поверхности грунта до центра упрочняемой области или до центра рассматриваемого "элементарного слоя".

Необходимое давление в эластичном толкателе Рв, в первом приближении, вычисляется по формуле:

Р = 2^ХХсР. - Г2

С + 2tg:

45° +

(рсл.

Ь

\ ^ J

где: ср.= К2 . 0гг(Р); ^=0,7+0,8 ;

Огг (Р)- вертикальная составляющая напряжения от внешнего силового воздействия в рассматриваемой точке упрочняемой области или в центре рассматриваемого "элементарного слоя".

На практике d и Рв назначаются в соответствии с техническими характеристиками имеющегося оборудования, а расстояние между скважинами Ь увязывается с инженерной задачей, решаемой как результат упрочнения грунтового массива. При этом нужно исходить из того экспериментального факта, что:

-значение модуля деформации в природном состоянии:

"'упрочненного" Еупрочн. превышает значение Еп

4/2010

ВЕСТНИК .МГСУ

упрочн.

Кз

2^ + tg2

45° +

Фс.

V

2

Д

L

1 Л.

1 + 2 £уЪ

В зависимости от вида упрочняемого грунта К3 изменяется в интервале значений 2+3.

-предельное сопротивление сдвигу увеличивается пропорционально возрастанию суммы главных напряжений:

/

2^ + tg

45° +

Фа

\

2

Д

L

+

^ Л. 1 + 2

Ж

V ^ J

К4-изменяется в интервале значений 0,7 + 0,8.

Подобно тому, как, например, контролируется в полевых условиях несущая способность забивных свай, прогнозируемые расчетом значения Еупрочн., |т|пред.. должны быть подтверждены в полевых условиях (штамповое, прессиометрическое испытание, динамическое или статическое зондирование). В необходимых случаях (в соответствии с данными контрольных испытаний) параметры Рв, Ь должны быть откорректированы.

Технология "упрочнения " грунтов "Песконасос " расширяет распространенные на практике производственные возможности по преобразованию механических свойств оснований таких как:

-устройство грунтовых, песчаных, известковых свай;

-впрессовывание грунта при реверсивном вращении бурового шнека;

-использование разрядно - импульсной технологии (РИТ);

-Технология "Геомассив"

Возможность строго адресного, строго дозированного, при необходимости повторяемого аналитически прогнозируемого воздействия на грунты основания выявляют в ряде конкретных задач преимущества, которые могут оказаться определяющими при выборе метода упрочнения.

Приведем некоторые примеры практических инженерных задач, где использование технологии "Песконасос " оказывается наиболее эффективным.

- Уменьшение средней осадки и относительной разности осадки фундаментов промышленных и гражданских сооружений, на основании с существенной неоднородности в плане по деформационным свойствам. Ликвидация "ослабленных " зон, "пропущенных " на стадии инженерно-геологических изысканий.

- Увеличение допускаемой нагрузки на полы складских и производственных помещений без усиления конструкции полов или фундаментной плиты. Задача решается за счет проектного изменения "жесткости " основания в плане.

- Увеличение расчетного сопротивления несущего слоя основания фундаментов при сохранении их плановых размеров и глубины заложения. Это характерная задача при реконструкции зданий.

- Уменьшение осадки сооружений, попадающих в зону влияния (лунку прогиба поверхности) при устройстве глубокого котлована нового строительства.

- Ускорение темпов первичной или вторичной консолидации оснований, сложенных глинистыми водонасыщенными грунтами.

- Увеличение несущей способности буровых свай, используемых, как при новом строительстве, так и в решении вопросов реконструкции.

+

2

ВЕСТНИК 4/2010

-Уменьшение амплитуды колебаний фундаментов под машины, фундаментов ограждающих конструкций.

-Увеличение устойчивости откосов за счет (в первую очередь) изменения очертания поверхностей скольжения.

-Увеличение несущей способности анкеров.

Технология «Песконасос» нашла свое применении при: возведении здания выставочного комплекса в исторической застройке на территории Дмитровского Кремля; устройстве фундамента под жилое здание в городе Сергиев-Посад; строительстве здания Высшего Арбитражного суда в Москве на улице Соломенная Сторожка; возведении здания делового центра «Юг» в Новом Уренгое и на многих других объектах.

Литература

1) Крыжановский А.Л., Рубцов О.И., Бутырский С.М. «Область применения технологии «Песконасос» в практике фундаментостроения», материалы 8-го международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях», Белгород, 16-20 мая 2005 года.

2) Крыжановский А.Л., Рубцов О.И. «Вопросы надежности проектного решения фундаментных плит высотных зданий», Вестник МГСУ, №1, 2006 год.

3) Крыжановский А.Л., Шеляпин Р.С., Потапов В.Н. «Деформационная неоднородность основания тяжёлого большеразмерного сооружения в зависимости от его начального напряжённого состояния, Межвуз. сборник «Численные методы в геомеханике и оптимальное проектирование фундаментов», Йошкар-Ола, 1989.

4) Крыжановский А.Л., Рубцов О.И., Негахдар М.Р., Рубцов И.В. «Технология «Пескона-сос»- аргументы и факты», ПГС, №12, 2007 год.

The literature

1) Krizhanovsky A.L., Rubtsov O.I., Butirsky S.M.. «The range of application of «Peskonasos» technology in practice of foundation engineering», materials of the 8-th international symposium «Mineral deposit development and underground construction under complicated water-supply conditions», Belgorod, May 16-20, 2005.

2) Krizhanovsky A.L., Rubtsov O.I. «The issue of foundation plates of high-rise buildings design decision reliability», Вестник МГСУ, №1, 2006 год.

3) Krizhanovsky A.L., Shelyapin R.S., Potapov V.N. «Demormative heterogeneity of heavy large structure foundation depending on its initial stress», Inter-university collection «The numerical methods in geomechanics and optimal foundation design», Yoshkar-Ola, 1989.

4) Krizhanovsky A.L., Rubtsov O.I., Negakhdar M.R., Rubtsov I.V. ««Peskonasos» technology - arguments and facts», ICE, №12, 2007.

Ключевые слова: песконасосные сваи, иглопесконасос, лидерная скважина, свайный фундамент, трамбование

Keywords: sandpumping piles, needle-sand pump, leader hole, piles foundation, punning

E-mail авторов: pik-mgsu@mail.ru, pik-mgsu@rambler.ru

Рецензент: Л.И. Черкасова профессор к.т.н.