Экспериментальное исследование степени повышения несущей способности песчаных грунтов основания при использовании технологии «Песконасос»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ «ПЕСКОНАСОС»

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INCREASING THE BEARING CAPACITY OF SANDY SOILS DEGREE USING «PESKONASOS» TECHNOLOGY

И.В. Рубцов, О.И. Рубцов, B.A. Грошев, С.Я. Новиков, C.K. Варламов I.V. Rubtsov, O.I. Rubtsov, V.A. Groshev, S.Y. Novikov, S.K. Varlamov

ГОУ ВПО МГСУ

В статье приведены данные эксперимента по обоснованию эффективности технологии «Песконасос»

The numerical study of «Peskonasos» technology efficiency was the aim of this investigation.

Технология «Песконасос» предназначена для повышения несущей способности слабых грунтов. Увеличение несущей способности доказано ее практическим использованием на таких объектах, как: Новое здание музея заповедника в г. Дмитров; здание Высшего арбитражного суда на ул. Соломенная сторожка в г. Москве; торговый центр «Перекресток» в Крылатском; усиление оснований под фундаменты коттеджей в различных районах Подмосковья и на ряде других объектов.

Для численного обоснование эффективности технологии «Песконасос» в НИ-иППЛ «ПиК» МГСУ был поставлен соответствующий эксперимент. В качестве основания использовался песок средней крупности, средней плотности, неводонасыщен-ный. В лаборатории песок засыпался в лоток с размерами в плане 2,0*0,7 м. Непосредственно перед засыпкой в лоток опускался рабочий орган песконасоса диаметром 110 мм. Песок насыпался до уровня 750 мм от дна лотка. Плотность засыпки контролировалась методом динамического зондирования специально изготовленным щупом с тарированным ударом. За показатель эквивалентный общему модулю деформации принималось количество ударов на каждый 100 мм погружения щупа. До начала работы песконасоса зондирование проводилось в четырех точках на расстоянии 310 мм (две точки), 550 мм и 800 мм от оси рабочего органа. Количество ударов, начиная с первых 100 мм забивки щупа, приведено в таблице 1. Некоторое увеличение количества ударов вблизи рабочего органа возможно объяснить его колебанием относительно вертикальной оси в процессе загрузки лотка.

По завершению подготовительных работ производилось уплотнение грунта путем создания горизонтальных механических напряжений в массиве по средством песконасоса. Заметим, что в процессе проведения эксперимента уровень установки рабочего органа не менялся. Он находился непосредственно у дна лотка. Высота рабочего ор-

ВЕСТНИК 4/2010

гана в данном эксперименте составляла 100 мм. Рабочий орган представлял собой объемную конструкцию с точкой центральной симметрии на высоте 100 мм от дна лотка и возможностью многократного повторения циклов расширения - сжатия. Степень уплотнения после завершения работ контролировалась также щупом. Контролируемые точки были выбраны на линии, проходящей через ось рабочего органа, слева (л) и справа (п) от нее. Всего было проведено девять зондирований на расстоянии 150 мм от оси (л,п), а также 250 (л,п), 300 (л,п), 350 (л,п) мм. Данные зондирования приведены в таблице 2.

Таблица 1

Условное сопротивление динамическому зондированию песчаного основания до начала работы песконасоса

Расстояние от оси [мм] Количество ударов для опускания щупа на 100 мм до глубины погружения в мм

100 200 300 400 500 600

310 7 12 16 16 16 21

310 7 12 14 18 23 22

550 7 12 14 14 16 17

800 6 10 11 11 12 14

Среднее значение 6,75 11,5 13,75 14,75 16,75 18,5

20 18 1 16 S 14 а. 2- 12 0 10 £0 S 8 01 1 6 1 4 2 0

100 200 300 400 500 600 700 Глубина погружения, мм

Рис. 1. Условное динамическое сопротивление песчаного основания до начала работы

песконасоса

Таблица 2

Условное сопротивление динамическому зондированию песчаного основания по_еле работы песконасоса_

Расстояние от оси и положение Количество ударов для опускания щупа на 100 мм погружения до глубины, мм

100 200 300 400 500 600 700

150л 7 16 21 29 35 36 32

150п 6 14 21 25 29 31 31

200л 7 15 25 31 36 37 32

200п 6 15 21 28 29 31 32

250л 7 16 26 27 32 33 33

250п 5 13 18 25 27 36 32

300л 7 13 16 20 22 24 23

300п 7 12 16 22 28 37 26

350п 7 10 13 16 18 21 18

В механике грунтов хорошо известно свойство грунтов со временем переходить в начальное состояние после завершения процесса их механического укрепления. Это известный процесс релаксации. Для определения степени релаксации уплотненного грунта было проведено его повторное зондирование. Для исключения попадания точек зондирования в нарушенные предыдущим зондированием места линия зондирования была проведена также через ось песконасоса, но с угловым сдвигом на 300. Всего было выполнено шесть зондирований попарно на расстоянии 150, 200 и 250 мм от оси песконасоса. Данные зондирования приведены в таблице 3.

Анализируя данные таблицы 1 не сложно получить зависимость числа ударов от глубины погружения. Данная зависимость представлена на рис. 1. Заметим, что при забивании щупа от 500 до 600 мм количество ударов равно 18. На рис. 2 отражены зависимости количества ударов от глубины погружения на различном расстоянии от оси песконасоса. Не трудно заметить характерную изменчивость кривых. При расстояниях 150, 200 и 250 мм от оси кривые практически накладываются друг на друга. При большем расстоянии наблюдается снижение количества ударов, требуемое для забивания щупа на 100 мм. При глубине 450 мм видим «провал» на кривых соответствующих расстоянию от оси равному 250, 300 и 350 мм, что может быть объяснено перераспределением грунтовых масс вследствие циклической работы песконасоса. Отчетливо виден максимум на всех кривых при глубине 550 мм, что практически совпадает с глубиной расположения центра рабочего органа. Не соответствие максимума уплотнения с центром песконасоса, по-видимому, связано с придонным эффектом.

Как правило, при практических расчетах проектировщика интересует наибольшее значение степени уплотнения. Для получения данных показателей отразим максимальные значения уплотнения в функции расстояния от оси песконасоса (рис.3). Из полученного графика (кривая 1) явственно видна зависимость количества ударов в функции удаления от оси. График искусственно продлен на большее, чем это предпо-

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

лагалось в эксперименте, расстояние от оси. Такое допущение основано невозможностью изменения свойств грунтового массива на бесконечно большом расстоянии от песконасоса. Поэтому добавлена асимптота на уровне исходного состояния грунта на данной глубине, а именно 18 (рис. 1).

Таблица 3

Условное сопротивление динамическому зондированию песчаного основания

Расстояние от оси и положение Количество ударов для опускания щупа на 100 мм погружения до глубины, мм

100 200 300 400 500 600 700

150л 8 19 26 28 34 36 31

150п 8 11 21 24 29 31 29

200л 8 19 26 30 35 36 32

200п 8 14 23 25 30 37 26

250л 7 15 21 21 32 37 31

250п 8 16 26 27 32 35 31

-♦-150

-в-?СЮ

-±—150 — 300 -350

ИМ

Рис. 2. Условное сопротивление динамическому зондированию укрепленного грунта в функции глубины погружения щупа при различном расстоянии от оси песконасоса

Расстояние от оси песконлсогэ, мм

Рис.3. Степень укрепления грунта в функции расстояния от оси песконасоса

Рассматривая отношение полученного после укрепления количество ударов и количество ударов в исходном грунте мы получим степень укрепления грунта (кривая 2 на рис.3). Анализируя данную зависимость мы можем констатировать факт практически двукратного изменения свойств грунтового основания на площади в 30 раз превосходящей площадь рабочего органа (диаметр рабочего органа 110 мм, диаметр укрепленной зоны 600 мм).

Для определения степени релаксации возьмем среднее значение показателей укрепления грунта (число ударов) для расстояний от оси равных 150, 200 и 250 мм сразу после производства работ (данные из таблицы 2) и для тех же расстояний по прошествии 30 дней (данные таблицы 3). Сведем средние значения в таблицу 4.

Таблица 4

Степень релаксации песчаного массива за 30 дней_

Среднее значение количества ударов щупа на 100 мм глубины, мм

100 200 300 400 500 600 700

После производства работ 6,33 14,83 22,00 27,50 31,33 34,00 32,00

Через 30 дней 7,83 15,66 23,83 25,83 32,00 35,33 30,00

Анализ полученных данных показывает отсутствии релаксации (в пределах точности эксперимента) при использовании технологии «Песконасос».

Вторым аспектом эффективности работы песконасоса является определение рационального количества циклов вдавливания песка в стенка скважины. С этой целью был поставлен эксперимент, при котором фиксировали расход песка через каждые 20 циклов нагружения. Первоначально рабочий орган был установлен на дно лотка. Циклы нагружения повторялись до тех пор, пока скважина практически не перестала принимать песок. Затем рабочий орган поднимался на 50 мм и процесс повторялся. Расходы песка на различных уровнях стоянки рабочего органа приведены на графиках рис. 4. На первых семи стоянках наблюдается насыщение скважины. На восьмой стоянке отсутствует насыщение скважины. Весь закачиваемый объем песка перекачивался на поверхность. На рис. 5 построен график зависимости объема закачки, соответствующей предельному насыщению, от высоты расположения рабочего органа песконасоса

ВЕСТНИК 4/2010

над дном лотка. Мы видим, что с приближением к поверхности лотка объемы закачки снижаются, что по-видимому связано с уплотнением не только слоев, расположенных в уровне рабочего органа, но и более высоких слоев.

u ¿o 4U сю но iuo ио зло leo то 2uo на ¿ао гьи гно Количество циклов

Рис.4. Зависимость объема вдавливаемого грунта от количества циклов при различных уровнях расположения рабочего органа

tfiOf)

о

О

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Высота подьема рабочею органа, мм

Рис.5. Зависимость предельного объема вдавливаемого грунта от высоты подъема

рабочего органа от дна лотка

Литература

1. Крыжановский А.Л., Бокижанов X. «Инъектирование оснований тяжёлых сооружений сыпучим материалом», Материал 17 конф. «Фундаментостроение, Брно 1989».

2. Крыжановский АЛ., 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.

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

4) Крыжановский АЛ., 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.

5) Знаменский В.В., Крыжановский АЛ., Негахдар М.Р., Рубцов О.И. «Повышение несущей способности буровых свай при радиальном обжатии стенок скважины по технологии «Песконасос», Вестник МГСУ, №2, 2008 год.

The literature

1. Krizhanovsky A.L., Bokizhanov H. «Injection of heavy structures foundations with bulk», material 17 from the conference «Foundation engineering, Brno, 1989».

2. 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

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

4. 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.

5. Znamensky V.V., Krizhanovsky A.L., Negakhdar M.R., Rubtsov O.I. «Increasing the bearing capacity of drilling piles under radial compression of borehole walls on «Peskonasos» technology, bulletin MSUCE, №2, 2008.

Ключевые слова: песчаный грунт, технология «Песконасос», рабочий орган, степень уплотнения. Keywords: sandy soil, the «Peskonasos» technology, tip, degree of compaction.

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

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