ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7003| Title: | Дослідження конструктивно-технологічних рішень посилення основ фундаментів з використанням паль |
| Authors: | Пряник, Сергій Петрович Аліфанова, Леся Вікторівна |
| Keywords: | посилення основ;надійність;фундаменти;ґрунти;палі;конструктивно-технологічні рішення |
| Issue Date: | Jan-2026 |
| Abstract: | Аліфанова Л.В. «Дослідження конструктивно-технологічних рішень посилення основ фундаментів з використанням паль». – Рукопис. Кваліфікаційна робота здобувача вищої освіти за спеціальністю 192 -Будівництво та цивільна інженерія. – Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2026. Кваліфікаційна робота присвячена дослідженню та аналізу конструктивно-технологічних рішень посилення основ фундаментів із використанням паль при будівництві та реконструкції будівель і споруд. Розглянуто сучасні технології пальового підсилення, особливості їх застосування в складних інженерно-геологічних умовах, а також вплив цих рішень на напружено-деформований стан системи «основа – фундамент». У роботі проаналізовано деформаційні та міцнісні характеристики ґрунтів, що зазнають перетворення в процесі посилення, і оцінено ефективність застосування пальових конструкцій з точки зору надійності, економічності та технологічності. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні фундаментів на слабких глинистих ґрунтах і при підсиленні існуючих будівель. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7003 |
| Appears in Collections: | 192 Будівництво та цивільна інженерія (Промислове і цивільне будівництво) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Аліфанова Л.В. група заочнЗМГБ_404.pdf Restricted Access | 1.45 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет технологій, будівництва та раціонального природокористування
Кафедра промислового та цивільного будівництва
«ДО ЗАХИСТУ ДОПУСТИТИ»
Завідувач кафедри ПЦБ_
к.т.н., доцент Сергій ПРЯНИК
______________________
’’___’’ січня 2026 р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
магістр
(освітній рівень)
на тему «Дослідження конструктивно-технологічних рішень посилення основ
фундаментів з використанням паль»
Виконала: здобувач вищої освіти _2_ курсу, групи ЗМГБ-404
спеціальності 192 - Будівництво та цивільна інженерія,
освітня програма «Промислове і цивільне будівництво»
_____________ __Аліфанова Л.В._
(підпис) (прізвище, ініціали)
Керівник кваліфікаційної роботи магістра
к.т.н., доцент Пряник С.П. _______ ________
(науковий ступінь, вчене звання, прізвище, ініціали) (підпис)
Рецензент кваліфікаційної роботи магістра
______________________________________ _________
(посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище, ініціали) (підпис)
Черкаси 2026
1
Бланк завдання:
2
Анотація
Аліфанова Л.В. «Дослідження конструктивно-технологічних рішень
посилення основ фундаментів з використанням паль». – Рукопис.
Кваліфікаційна робота здобувача вищої освіти за спеціальністю 192 -
Будівництво та цивільна інженерія. – Черкаський державний технологічний
університет, Черкаси, 2026.
Кваліфікаційна робота присвячена дослідженню та аналізу
конструктивно-технологічних рішень посилення основ фундаментів із
використанням паль при будівництві та реконструкції будівель і споруд.
Розглянуто сучасні технології пальового підсилення, особливості їх
застосування в складних інженерно-геологічних умовах, а також вплив цих
рішень на напружено-деформований стан системи «основа – фундамент». У
роботі проаналізовано деформаційні та міцнісні характеристики ґрунтів, що
зазнають перетворення в процесі посилення, і оцінено ефективність
застосування пальових конструкцій з точки зору надійності, економічності та
технологічності. Отримані результати можуть бути використані при
проєктуванні фундаментів на слабких глинистих ґрунтах і при підсиленні
існуючих будівель.
Ключові слова: посилення основ, палі, фундаменти, ґрунти, конструктивно-
технологічні рішення, надійність.
3
ЗМІСТ Арк
ВСТУП…………………………………………………………………………… 7
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ПИТАННЯ ВЛАШТУВАННЯ
ПАЛЬОВИХ ФУНДАМЕНТІВ ТА МЕТОДІВ ПОСИЛЕННЯ ЇХ ОСНОВ…. 12
1.1. Огляд основних видів фундаментів…………………………………….…. 12
1.2. Сучасні методи посилення будівельних характеристик зв’язних ґрунтів 17
1.3. Аналіз поверхневого ущільнення слабких ґрунтів під впливом
привантажувальної дамби з пристроєм вертикальних піщаних дренажних
насипів…………………………………………………………………………… 17
1.4. Теоретичні відомості про процеси, що відбуваються при поверхневому
ущільненні……………………………………………………………………… 19
1.5. Досвід застосування глибинного ущільнення слабких ґрунтів…………. 21
1.6. Теоретичні відомості про глибинне ущільнення…………………………. 22
Висновки за розділом 1 ………………………………………………………… 25
РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ГЛИНИСТИХ ҐРУНТІВ, ПОТРІБНИХ ДЛЯ ПОСИЛЕННЯ ОСНОВ
ФУНДАМЕНТІВ………………………………………………………………. 26
2.1. Методика дослідження……………………………………………………... 26
2.2. Аналіз основних методів дослідження механічних властивостей ґрунтів
зі застосуванням сучасного обладнання……………………………………… 27
2.3. Аналіз результатів лабораторних випробувань зв'язних
ґрунтів……………………………………………………………………………. 30
Висновки за розділом 2 ………………………………………………………… 44
РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ
ПАЛІ З ЩЕБЕНЕВИМ ЗАПОВНЮВАЧЕМ В ВОДОНАСИЧЕНОМУ
ГЛИНИСТОМУ ҐРУНТІ………………………………………………………... 45
3.1. Загальна характеристика та методика дослідження……………………… 45
4
3.2. Визначення особливостей технології ущільнення слабкої основи
методом глибинного ущільнення ґрунтовими палями……………………….. 46
3.3. Аналіз полігонних експериментів щодо визначення ефективності
застосування паль з щебеневого заповнювача………………………………… 53
3.4. Дослідження та аналіз зіставлення теоретичних та експериментальних
даних щодо визначення наведеного модуля деформації…………………….. 57
3.5. Визначення деформаційних характеристик колони з щебеневого
заповнювача……………………………………………………………………… 58
Висновки за розділом 3…………………………………………………………. 60
РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ ВЗАЄМОДІЇ ПАЛЬ З НАВКОЛИШНІМ І
ПІДСТИЛЮЮЧИМ ҐРУНТАМИ З УРАХУВАННЯМ ЇХ ДЕФОРМАТИВ-
НИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТА ПАЛЬОВИМ РОСТВЕРКОМ …………………. 62
4.1. Основні положення дослідження………………………………………….. 62
4.2. Аналіз взаємодії одиночної палі з навколишнім та підстилаючим
ґрунтом……….…..……………………………………………………………… 64
4.3. Аналіз та дослідження взаємодії палі з щебеневого заповнювача з
навколишнім та підстилаючим ґрунтами та ростверком з урахуванням
деформативних властивостей ґрунтів……………………………….……….. 67
4.4. Дослідження взаємодії фільтруючої та нефільтруючої палі з
водонасиченим глинистим ґрунтом та ростверком у пальово-плитному
фундаменті……………………………………………………………………… 70
4.5. Аналіз вібрації та коливання фундаментів на перетвореній однорідній
та неоднорідній основі…………………………………………….…………… 74
Висновки за розділом 4…………………………………………………………. 75
РОЗДІЛ 5. ОБГРУНТУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТІ ТА ЕФЕКТИВ-
НОСТІ ДОСЛІДЖЕНЬ………………..………………………………………... 76
5.1. Огляд проаналізованих об’єктів…………………………………………… 76
5.2. Визначення напружено-деформованого складу комірки штучної основи 77
5
5.3. Послідовність обчислення при визначенні компонентів напружено-
деформованого стану комірки чисельним методом…………….…………… 79
5.4. Просторова задача відносно аналізу напружено-деформованого стану
перетвореної основи під навантаженнями проектованої споруди для
посилення основ фундаментів………………………………….………………. 84
Висновки за розділом 5……………………………….………………………… 89
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ……………………………….……………………….. 90
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………….………………………. 92
6
ВСТУП
Актуальність теми. Тривалість експлуатації житлових будівель та їх
відповідність функціональному призначенню значною мірою залежать від стану
основ і фундаментів. Система «основа – фундамент» належить до найбільш
складних об’єктів з точки зору моделювання та прогнозування її поведінки як
на етапі будівництва, так і під час експлуатації будівель і споруд. Вибір методів
підсилення основ і фундаментів, а також організація та технологія виконання
робіт значною мірою визначаються причинами, що зумовлюють необхідність
такого підсилення.
Під час проєктування та зведення будівель і споруд на слабких
водонасичених зв’язних глинистих ґрунтах значної товщини з низькою
водопроникністю виникає потреба в покращенні властивостей основ шляхом їх
поверхневого та глибинного ущільнення із застосуванням різних технологічних
рішень. Такі заходи сприяють збільшенню щільності ґрунтів, зменшенню їх
вологості та, як наслідок, підвищенню деформаційних і міцнісних
характеристик.
Ефективність зміни властивостей зв’язних глинистих ґрунтів значно
зростає за умови розрахунково-теоретичного обґрунтування процесу
ущільнення та достовірного визначення параметрів деформування і міцності в
процесі їх трансформації, необхідних для розрахунку осідань перетвореної
основи в складі пальово-плитного фундаменту. На стадії попереднього
ущільнення важливо здійснити кількісну оцінку напружено-деформованого
стану змінюваної основи з урахуванням її взаємодії з ґрунтовими палями при
поверхневому і глибинному ущільненні, виходячи з природних початкових
фізико-технічних характеристик ґрунту. Будівництво на слабких водонасичених
зв’язних глинистих ґрунтах передбачає розв’язання задачі у два етапи. На
першому етапі виконується ущільнення слабкого ґрунту з використанням різних
технологій та з достатньою точністю визначаються розрахункові значення його
деформаційних і міцнісних показників. На другому етапі здійснюється кількісна
7
оцінка напружено-деформованого стану перетвореної основи у взаємодії з
ростверком або плитою з урахуванням розрахункових параметрів відповідно до
обраної розрахункової моделі.
Слід зазначити, що на кожному з цих етапів розв’язуються одні з
найскладніших завдань сучасної прикладної геомеханіки, оскільки у процесі
взаємодії палі з навколишнім ґрунтом залучається значний об’єм неоднорідного
ґрунтового масиву за глибиною та простяганням, у якому формується й
трансформується напружено-деформований стан системи «паля – ґрунт», що
змінюється в часі та просторі. Використання паль з щебеневого заповнювача
дозволяє ефективно вирішувати завдання будівництва на слабких
водонасичених основах, що підтверджує актуальність обраної теми.
Мета кваліфікаційної роботи магістра дослідити конструктивно-технологічні
рішення посилення основ фундаментів з використанням паль з щебеневого
заповнювача та з аналізом методів кількісної оцінки напружено-деформованого
стану основи.
Завдання дослідження:
-Дослідити сучасний стан проблеми улаштування пальових фундаментів і
методів підсилення їх основ у зв’язних ґрунтах, а також проаналізувати
актуальні методи вивчення та опису механічних властивостей зв’язних і
незв’язних ґрунтів.
-Проаналізувати результати лабораторних випробувань зв’язних і незв’язних
ґрунтів за умов компресії, тривісного стиску та зсуву при статичному,
кінематичному й вібраційному навантаженнях та виконати їх математичний
опис.
-Здійснити порівняльну оцінку нових підходів до опису реологічних
властивостей ґрунтів при кінематичних і вібраційних впливах з
експериментальними кривими.
8
-Проаналізувати технологію глибинного ущільнення слабких водонасичених
зв’язних глинистих ґрунтів із застосуванням потужних пресів та надати її
розрахунково-теоретичне обґрунтування.
-Дослідити деформаційні характеристики слабкого ґрунту, ущільненого
методом глибинного ущільнення, залежно від діаметра та кроку паль з
щебеневого заповнювача з урахуванням початкових фізико-механічних
властивостей ґрунту.
-Виконати аналіз задачі кількісної оцінки напружено-деформованого стану
системи «паля з щебеневого заповнювача – навколишній і підстильний ґрунт –
ростверк (комірка)» при статичних, вібраційних і динамічних навантаженнях з
урахуванням лінійних, нелінійних і реологічних властивостей ґрунтів, а також
процесів їх консолідації та повзучості.
-Проаналізувати особливості взаємодії одиночної стискуваної палі з
навколишнім і підстильним ґрунтами з урахуванням їх лінійних, нелінійних і
реологічних характеристик.
-Розв’язати задачі взаємодії одиночної стискуваної палі з ґрунтовим масивом
при лінійних властивостях ґрунтів з визначенням характеру епюр та осідання.
-Визначити параметри взаємодії стискуваної палі з навколишнім і підстильним
ґрунтами з урахуванням лінійних і реологічних властивостей, зокрема наведені
параметри деформування та в’язкості комірки в цілому.
-Дослідити взаємодію палі з щебеневого заповнювача з навколишнім і
підстильним ґрунтами при імпульсних і вібраційних впливах з урахуванням
лінійних і реологічних властивостей, у тому числі визначити коефіцієнт
динамічності системи «ростверк – щебенево-ґрунтова основа».
-Проаналізувати результати практичного застосування досліджень у
проєктуванні споруд на основах, підсилених палями з дренажними
властивостями з щебеневого заповнювача, влаштованими методом глибинного
ущільнення.
9
Предмет дослідження. Технологія підсилення основ фундаментів із кількісною
оцінкою напружено-деформованого стану слабкої основи на першому етапі її
перетворення різними методами та на другому етапі — взаємодії перетвореної
основи з плитним фундаментом та ростверком.
Об’єкт дослідження. Технологія підсилення основ фундаментів, масив
слабкого водонасиченого глинистого ґрунту до та після перетворення, що
взаємодіє з плитним фундаментом.
Практична новизна роботи полягає в наступному:
-Надано розрахунково-теоретичне обґрунтування процесу розширення
лідируючої свердловини буронабивними палями з дренажними властивостями з
щебеневого заповнювача при глибинному ущільненні;
-Проаналізовано результати випробувань зв’язних і незв’язних ґрунтів,
відібраних на дослідній ділянці будівництва енергетичної споруди;
-Виконано аналіз результатів штампових випробувань палі з щебеневого
заповнювача та навколишнього ущільненого ґрунту на експериментальній
ділянці;
-Здійснено кількісну оцінку напружено-деформованого стану системи «паля з
щебеневого заповнювача – дрена – навколишній ґрунт – ростверк» з
урахуванням лінійних, нелінійних і реологічних властивостей ґрунтів;
-Запропоновано методику визначення наведених параметрів деформованості,
в’язкості та коефіцієнта динамічності складеного ґрунтового циліндра (паля з
щебеневого заповнювача – навколишній ґрунт).
-Узагальнено результати впровадження досліджень, у тому числі польових
випробувань палі з щебеневого заповнювача та навколишнього ґрунту.
Практичне значення роботи полягає в наступному:
-Виконанні аналізу та порівняльної оцінки різних методів попереднього
ущільнення ґрунтів і їх математичного опису.
10
-Застосуванні методики визначення наведених параметрів деформованості,
в’язкості та коефіцієнта динамічності складеного ґрунтового циліндра, що
дозволяє спростити розрахунки напружено-деформованого стану основ,
підсилених палями з щебеневого заповнювача.
-Розв’язанні актуальних інженерних задач кількісної оцінки напружено-
деформованого стану паль з щебеневого заповнювача у взаємодії з навколишнім
і підстильним ґрунтами аналітичними методами з урахуванням лінійних,
нелінійних і реологічних властивостей ґрунтового середовища.
-Застосуванні отриманих рішень у проєкті будівництва енергетичної споруди
для аналізу взаємодії товстостінного ґрунтового циліндра з фільтрувальною та
нефільтрувальною палями з щебеневого заповнювача і ростверком із
використанням аналітичного підходу.
-Розв’язанні задач, пов’язаних із коливаннями та вібраціями системи «пальова
основа – ростверк» при дії імпульсних і вібраційних навантажень.
Методи досліджень Проведені дослідження ґрунтів ґрунтуються на аналізі
результатів лабораторних випробувань фізико-механічних властивостей
зв’язних глинистих і піщаних ґрунтів у природному та ущільненому станах,
виконаних відповідно до чинної нормативної документації. Отримані дані
використано для розв’язання задач з оцінки напружено-деформованого стану
слабкого ґрунту на етапі виготовлення паль, а також на другому етапі
проєктування паль з щебеневого заповнювача при їх взаємодії з ростверком
аналітичними методами на основі сучасних положень теоретичної механіки
ґрунтів.
Обсяг кваліфікаційної роботи магістра. Складається зі вступу, п'яти розділів,
загальних висновків та списку використаних джерел.
11
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ПИТАННЯ ВЛАШТУВАННЯ
ПАЛЬОВИХ ФУНДАМЕНТІВ ТА МЕТОДІВ ПОСИЛЕННЯ ЇХ ОСНОВ
1.1. Огляд основних видів фундаментів.
Фундамент є однією з найважливіших конструктивних частин будь-якої
будівлі або споруди, оскільки саме він сприймає всі навантаження від
надземних елементів і передає їх на ґрунтову основу. Від правильного вибору
типу фундаменту залежать міцність, довговічність, безпека та економічна
доцільність будівництва. Помилки на етапі проєктування або влаштування
фундаментів можуть призвести до нерівномірних осідань, тріщин у стінах,
деформацій конструкцій і навіть до аварійного стану будівлі.
Сучасне будівництво використовує велику кількість різновидів
фундаментів, які відрізняються за конструкцією, матеріалами, способом
передачі навантажень і сферою застосування. Вибір конкретного типу залежить
від багатьох чинників, серед яких геологічні умови, рівень ґрунтових вод,
клімат, призначення споруди та величина навантажень. У цій роботі розглянуто
основні існуючі види фундаментів, їхні конструктивні особливості, переваги та
недоліки.
Фундаменти можна класифікувати за різними ознаками: за матеріалом, за
глибиною закладання, за формою та за характером роботи з ґрунтом. Найбільш
поширеною є класифікація за конструктивним типом. Відповідно до неї
виділяють стрічкові, стовпчасті, плитні та пальові фундаменти. Кожен з цих
типів має свої особливості та застосовується в певних умовах.
Стрічковий фундамент являє собою безперервну стрічку з бетону або
залізобетону, яка проходить під усіма несучими стінами будівлі. Цей тип
фундаменту є одним з найбільш поширених у житловому та малоповерховому
будівництві. Залежно від глибини закладання стрічкові фундаменти поділяють
на мілкозаглиблені та заглиблені. Мілкозаглиблені фундаменти зазвичай
застосовують для легких будівель, таких як одноповерхові житлові будинки або
12
господарські споруди. Заглиблені стрічкові фундаменти використовують для
важчих будівель, а також у випадках, коли необхідно влаштувати підвал. До
переваг стрічкових фундаментів належать простота конструкції, відносна
легкість виконання та можливість використання різних матеріалів. Недоліками є
значна витрата бетону й арматури, а також обмежене застосування на слабких
або сильно зволожених ґрунтах.
Стовпчасті фундаменти складаються з окремих опор (стовпів),
розташованих під кутами будівлі, у місцях перетину стін і під окремими
несучими елементами. Стовпи можуть бути виконані з бетону, залізобетону,
цегли або каменю. Цей тип фундаментів зазвичай застосовується для легких
споруд, наприклад дерев’яних або каркасних будинків, веранд, альтанок.
Основною перевагою стовпчастих фундаментів є економічність, оскільки вони
потребують значно менше матеріалів порівняно зі стрічковими. Крім того, вони
простіші у влаштуванні та швидші в монтажі. Разом із тим стовпчасті
фундаменти мають і недоліки. Вони не підходять для важких будівель і не
дозволяють облаштувати повноцінний підвал. Також вони чутливі до
нерівномірних осідань ґрунту, що може призвести до перекосів будівлі.
Плитний фундамент являє собою суцільну залізобетонну плиту,
розташовану під усією площею будівлі. Такий фундамент рівномірно
розподіляє навантаження на ґрунт, що робить його ефективним у складних
геологічних умовах. Плитні фундаменти часто використовують на слабких,
пучинистих або неоднорідних ґрунтах, а також за високого рівня ґрунтових вод.
Завдяки своїй конструкції вони добре протидіють нерівномірним осіданням і
зменшують ризик утворення тріщин у будівлі. До переваг плитних фундаментів
належать висока надійність, довговічність та універсальність. Основним
недоліком є висока вартість, оскільки для їх влаштування потрібно значну
кількість бетону та арматури, а також ретельна підготовка основи.
13
Пальові фундаменти складаються з окремих елементів — паль, які
заглиблюються в ґрунт і передають навантаження на більш щільні та міцні
шари. Палі можуть бути забивними, буронабивними, гвинтовими або
комбінованими. Пальові фундаменти широко застосовуються у випадках, коли
верхні шари ґрунту мають низьку несучу здатність. Вони використовуються для
багатоповерхових будівель, мостів, промислових споруд та об’єктів, зведених у
складних інженерно-геологічних умовах. Перевагами пальових фундаментів є
можливість будівництва на слабких ґрунтах, висока несуча здатність і
зменшення обсягів земляних робіт. Серед недоліків можна відзначити
складність проєктування, потребу в спеціальній техніці та відносно високу
вартість.
Для будівництва фундаментів використовують різні матеріали,
найпоширенішими з яких є бетон і залізобетон. Бетонні фундаменти
відзначаються міцністю, довговічністю та стійкістю до впливу вологи.
Залізобетонні конструкції додатково підсилюються арматурою, що дозволяє
сприймати розтягувальні навантаження. У деяких випадках застосовують
бутовий камінь, цеглу або комбіновані матеріали. Вибір матеріалу залежить від
типу фундаменту, навантажень та умов експлуатації.
Фундамент є ключовим елементом будь-якої будівлі, від якого значною
мірою залежить її надійність і довговічність. Існує кілька основних видів
фундаментів, кожен з яких має свої конструктивні особливості, переваги та
недоліки. Правильний вибір типу фундаменту повинен базуватися на аналізі
ґрунтових умов, навантажень і призначення споруди. Сучасні будівельні
технології дозволяють ефективно застосовувати різні типи фундаментів навіть у
складних умовах, однак ключовим залишається професійний підхід до
проєктування та виконання робіт. Раціонально обраний і якісно збудований
фундамент є запорукою безпечної та тривалої експлуатації будівлі [1].
14
При зведенні будинків і споруд, в тому числі підвищеної відповідальності,
в районах поширення слабких водонасичених зв’язних глинистих ґрунтів з
модулем деформації Е=5-10 МПа, ступеня водонасичення 0,8<Sr<1 і низьку
водопроникність з коефіцієнтом фільтрації kf≤10-6 см/сек (м/доб) неминуче
перетворюють їх будівельні властивості різними технологіями з метою
підвищення їх щільності і зниження вологості і, з рештою, підвищення їх
деформаційних і міцнісних параметрів (E (ρ, w), C (ρ, w)). Це дозволяє
підвищити розрахункову величину несучої здатності і зменшити розрахункове
осідання перетвореної основи. Слід оцінити економічну ефективність
перетворення слабкого ґрунту різними методами, так як інколи пропонують
дорогий і радикальний метод, який складається з двох стадій: повна заміна
слабкого ґрунту (з його вивезенням) та заміна його новою штучною основою з
ущільненого (іноді змішаного з цементом) ґрунту. У даній роботі розглядаються
різні методи і технології перетворення будівельних властивостей слабких
зв’язних глинистих ґрунтів, в тому числі більш детально, і з глибоким
теоретичним обґрунтуванням, метод глибинного ущільнення слабкого ґрунту за
допомогою буронабивних щебеневих, щебенево-піщаних паль за допомогою
технології впресовування щебеню (робочого матеріалу) в забій лідируючої
свердловини потужним пресом із зусиллям до 100 - 200 т (мал. 1.1) В результаті
в навколишньому слабкому ґрунті виникають значні радіальні і тангенціальні
напруги, які ущільнюють слабкий ґрунт, при цьому робочий матеріал (щебінь,
крупнозернистий пісок), який служить дреном для видалення порової води з
ущільненого глинистого ґрунту також ущільнюється під вертикальним тиском
преса зусиллям до 200 т. У результаті діаметр лідируючої свердловини
збільшується в кілька разів (наприклад від 15-20 см до 50-60 см). Виготовлена
система «паля - навколишній ґрунт» заданого діаметра (за проектом він
дорівнює відстані між центрами паль) служить несучим елементом стовпом в
складі пальової основи в пальово-плитному фундаменті. Експериментальне та
15
розрахунково-теоретичне обґрунтування технології виготовлення і подальшого
використання щебенистих паль під плитним фундаментом будівель і споруд з
урахуванням лінійних, нелінійних і реологічних властивостей ущільненого
глинистого ґрунту при статичної, вібраційної і динамічної (імпульсної)
навантаженнях значно підвищує ефективність і економічну доцільність
впровадження в інженерну практику метод перетворення слабких зв’язних
глинистих ґрунтів за допомогою буронабивних паль з щебеневого заповнювача.
Мал. 1.1. - Схема пристрою палі з щебеневого заповнювача.
Відзначимо, що за результатами польових експериментів на дослідному
полігоні об'єкта енергетичного будівництва були проведені штампові
випробування виготовлених буронабивних паль з щебеневого заповнювача і
оточуючих ущільнених зв’язних глинистих ґрунтів зондуванням. З'ясувалося,
що у паль з щебеневого заповнювача модуль деформації виріс з 20 до 80-100
МПа, навколишнього глинистого ґрунту з 5-10 МПа до 20-25 МПа, а системи
«паля - навколишній глинистий ґрунт» до 40-50 МПа. Це важливий аргумент до
позитивної оцінки ефективності розглянутого в даній роботі методу. Він був
розроблений фірмою АТ «НДІграфіт» «Методика розрахунку механічних
параметрів ущільнення слабких основ при використанні методу пристрою
ґрунтових паль ущільнення.
16
1.2. Сучасні методи посилення будівельних характеристик зв’язних ґрунтів
До сучасних методів перетворення будівельних властивостей слабких
зв’язних глинистих ґрунтів слід віднести: конструктивні методи, спрямовані на
поліпшення умови взаємодії основи і фундаментів за допомогою піщаних
подушок, шпунтових огороджень, створення бічних привантажень до дамб,
армування та інші; ущільнення слабких ґрунтів, в тому числі: поверхневе і
глибинне (силове і вібраційне), в тому числі пристроєм щебенево-піщаних паль,
привантажувальною дамбою з піщаними дренами; закріплення слабких ґрунтів -
шляхом створення умов для зміцнення зв'язків між мінералами ґрунту, в тому
числі, нагнітанням цементу в поровий простір піщаних ґрунтів (цементація),
хімічним твердіючим складом, електрохімічним, смолізацією, бітумізацією і
випалюванням. Очевидно, що вибір того чи іншого методу перетворення
будівельних властивостей слабких ґрунтів залежить від результатів
експериментів і техніко-економічних розрахунків [6, 10, 12, 26, 33].
1.3. Аналіз поверхневого ущільнення слабких ґрунтів під впливом
привантажувальної дамби з пристроєм вертикальних піщаних дренажних
насипів
Попереднє ущільнення слабких зв’язних глинистих водонасичених
ґрунтів з допомогою дамб і вакуумної технології, насипів з пристроєм
вертикальних піщаних дрен, є одним з ефективних і доступних методів. Слід
відзначити, що метод ущільнення за допомогою ваги дамб, насипів і дрен для
прискорення консолідації застосовувався значно раніше - на початку 20
століття, теоретичне обґрунтування якого дав К. Терцагі [31]. Метод
ущільнення за допомогою вакуумної технології почав застосовуватися в другій
половині 20 століття і в даний час широко застосовується в багатьох країнах
(Японія, США, Китай і вся південно-східна Азія). За цією технологією на
поверхні слабкого ґрунту, накритого дренувальним шаром піску, сполученим з
17
піщаними дренами, створюється глибокий вакуум до 0,1 МПа (більше
неможливо) під водонепроникним покриттям над дренувальним шаром піску і
викликає ущільнювальний тиск. На малюнку 1.2 представлені схеми методів
поверхневого ущільнення з допомогою дамби і вакууму.
Мал. 1.2. - Сучасні методи поверхневого ущільнення слабких водонасичених
зв’язних глинистих ґрунтів під впливом привантажувальної дамби (а) і вакууму
(б). 1 - піщана дамба; 2 - дренуючий шар піску; 3 – дренувальна свердловина; 4 -
слабкий водонасичений ґрунт; 5 - водонепроникний екран.
Мал. 1.3. - Розрахункові схеми Мал. 1.4. - Схема розміщення в плані
досконалої (а) і недосконалої (б) піщаних паль - дрен, розташованих на
дрени: 1 - піщана подушка; 2 - слабкий вершинах рівнобедрених трикутників.
ґрунт; 3 - природний дренуючий шар; 1 - піщана паля; 2 – зона ущільнення.
4 - піщана дрена
.
18
Мал. 1.5. - Принципова схема скорочення шляху фільтрації води при
консолідації при використанні щебеневих дрен (стрілками показані напрямки
руху води).
1.4. Теоретичні відомості про процеси, що відбуваються при поверхневому
ущільненні
Ефективність перетворення слабких ґрунтів ущільненням оцінюється за
допомогою коефіцієнта ущільнення Kcom = ρd,com/ρd,max, де ρd,com і ρd,max - щільність
скелета ґрунту і максимальне її значення відповідно. Як правило, Kcom
приймають 0,92-0,98. Осідання поверхні ущільненого шару визначають за
формулою [32]
S=(1- ρd/ρd,com) hcom, (1.1)
де S - осідання шару завтовшки hcom, ρd та ρd,com - щільності скелета до і після
ущільнення.
При розміщенні паль-дрен в вершинах рівносторонніх трикутників (мал. 1.4)
відстань між їх центрами дорівнюватиме [32]:
L =0,95dc /ρd,com /Кcom, (1.2)
де dc - діаметр піщаної дрени. Інші позначення такі ж самі.
Змінення щільності скелета слабкого шару, що ущільнюють пов'язано з
збільшенням коефіцієнта пористості
∆е=( ρs - ρd com )/ρd com, (1.3)
де ρs - щільність частинок (мінералів) ґрунту.
Звідси можна визначити відносну стисливість ґрунту:
∆ε=∆е /(1+е0) (1.4)
Тоді осідання шару завтовшки h можна визначити по залежності:
S=∆ε·h (1.5)
Важливим етапом проектування і розрахунку поверхневого ущільнення за
допомогою дамби або вакууму є кількісна оцінка тривалості ущільнення за
допомогою фільтруючих вертикальних піщаних дрен і дренувального піщаного
19
шару на поверхні слабкого шару, прискорюючий процес ущільнення в десятки і
сотні разів і залежить від коефіцієнта фільтрації слабкого шару, відстані між
центрами піщаних паль і їх діаметра. Вперше це завдання розглянув і вирішив
К. Терцагі (1924 г.) на основі теорії осесиметричної фільтраційної консолідації
ґрунтів навколо дренувальної свердловини [31]. Він же на основі рішення
осесиметричного завдання консолідації, запропонував метод вирішення
диференціального рівняння просторової задачі консолідації у вигляді:
де pw - надмірний (поровий) тиск у воді; r - відстань від осі z; cr і cz - коефіцієнти
консолідації (радіальний і вертикальний), причому
де kг і kz - коефіцієнти фільтрації ґрунту в радіальному і вертикальному
напрямках.
На основі теореми Корілло, згідно з якою загальна ступінь ущільнення може
бути представлена у вигляді:
де U - повна ступінь ущільнення ґрунту, U (t)=S(t)/S(ϖ), Ur і Uz – ступінь
ущільнення в радіальному і вертикальному напрямках. Величини Ur і Uz
дорівнюють
де Tr і Tz - відповідні фактори часу, що дорівнюють
де R - відстань між дренами; h - глибина шару, що ущільнюється.
Для обчислення функцій F і F1 К.Терцагі приводить графік залежності ступеня
ущільнення Ur і Uz (мал. 1.6) від фактору часу, причому середня (штрих-
пунктирна) крива відповідає значенням Uz, а нижня і верхня криві відповідають
значенням Ur (одна для відносини r/R = n = 10, а інша для n = 100). Визначивши
ступінь ущільнення Uz і Ur, повну ступінь U легко обчислити за формулою (1.8).
Відповідно графік визначення Uz і Ur від факторів часу Tr і Tz, де cr і cz
визначаються за формулами в (1.9).
20
Мал. 1.6. - До розрахунку ущільнення ґрунтів за допомогою вертикальних дрен:
а - схема піщаної дрени; б - залежність ступеня ущільнення Uz і Ur від фактора
часу T.
1.5. Досвід застосування глибинного ущільнення слабких ґрунтів
Глибинне ущільнення неводонасичених зв’язних глинистих ґрунтів при Sr
= 0,3-0,7 ґрунтовими палями на глибину до 20 м здійснюється способом
сердечника, в тому числі: а - утворення свердловини забиванням інвентарної
палі; б - витяганням інвентарної палі; в - заповнення свердловини ґрунтом з
трамбуванням; 1 - інвентарний башмак; 2 - сердечник; 3 - молот; 4 - трамбівка; 5
- ущільнений ґрунт заповнення, а також енергією вибуху (мал. 1.7.).
Мал. 1.7. - Схеми пристрою ґрунтових паль способом сердечника та
енергією вибуху.
21
Для глибинного ущільнення слабких водонасичених зв’язних глинистих
ґрунтів в теперішній час застосовують буронабивні палі-дрени, які в період їх
виготовлення служать елементом, що фільтрує для віджимання води з
ущільненого глинистого ґрунту, а в період експлуатації в складі пальової
основи спільно з навколишнім ущільненим ґрунтом (комірка) служить несучим
елементом (стовпом), здатним нести значні навантаження на ростверк.
Існують різні технології виготовлення паль-дрен з крупнозернистого і
крупнообломочного ґрунтів і їх сумішей, в тому числі: 1. шнекова, яка при
реверсі вдавлює в забій свердловини чергову порцію робочого матеріалу вниз і
в бік і створює на стінки і за стінкою лідируючої свердловини значні радіальні
напруги, які ущільнюють ґрунт (мал. 1.8 б). Вичавлена порова вода виходить
через палі-дрени вгору до пластового дренажу і віддаляється; 2. ущільнення
домкратом, що створює значне зусилля (до 200 т) на порцію робочого матеріалу
в забої лідируючої свердловини і також вдавлює його вниз і в забій лідируючої
свердловини. Ця технологія була розроблена фірмою АТ «НІІграфіт» і була
використана на дослідній ділянці будівництва об'єкта енергетики.
Співробітники наукового центру «Геотехника» брали участь в штампових
випробуваннях і аналізі якості ущільнення слабкого глинистого ґрунту за цією
технологією. Існують і інші методи глибинного ущільнення, в тому числі, по
технології РІТ (розрядно-імпульсна технологія) [11, 13], а також по jet-
технології.
1.6. Теоретичні відомості про глибинне ущільнення
В процесі виготовлення палі з щебеневого заповнювача шляхом
примусового розширення лідируючої свердловини і впресовування робочого
матеріалу всередину стінок свердловини в навколишньому ґрунті виникає
надлишковий по відношенню до природному напружено-деформований стан
(мал. 1.8) [21, 25].
22
Мал. 1.8. - Розрахункова схема розширення діаметра лідируючої свердловини
(а) і технології її розширення (б).
Вирішення цього завдання, як відомо, наводиться до рівняння виду
де u - переміщення в радіальному напрямку, причому:
Загальне рішення рівняння (1.10) відомо [25] і записується у вигляді
де uk - задане кінцеве переміщення стінки лідируючої свердловини.
У разі великих переміщень напруги σr і σθ задача вирішена Аванесовим за
допомогою розбиття кінцевого переміщення uк на n кроків вважаючи, що
тангенціальний модуль деформації (Eі=di/dεi) на кожному кроці збільшується
пропорційно кількості кроків, тобто Ei=E1· i, νi=ν1=const, на кожному i-му кроці
напруги σr і σθ воно має вигляд
23
де n - кількість кроків розбиття; r1,i - радіус свердловини в i-ий крок; un -
розширення радіусу свердловини за один крок un=uк/n. Причому радіус
свердловини кожного наступного кроку r1,1+1=r1i +un .
Так, наприклад, при розширенні свердловини радіусом r1=0,2 м на uк=0,1 м при
модулі деформації ґрунту Е1=15 МПа, коефіцієнт Пуассона ν=0,3 і радіусі
впливу r2=1м згідно (1.12) з урахуванням розбиття переміщення uк на n=5 кроків
на контакті паля - ґрунт виникають радіальні стискальні напруги r =16,49
МПа і тангенціальні напруги σθ =13 МПа.
Виникший напружено-деформований стан в водонасиченому ґрунті викликає
надмірний поровий тиск відповідно до формули З.Г. Тер-Мартиросяна у вигляді
[25]:
де KS - модуль об'ємної стисливості скелета ґрунту, Kw - визначається по
Скемптону за формулою
де Sr - ступінь водонасичення (0,8≤Sr≤1), Kwg - модуль об'ємної стисливості
порової газомістячої води (K 6
wg =3·10 кН/м2 ); Kg - стисливість бульбашок
повітря (=200 кПа).
Надмірний поровий тиск (1.14) буде згодом розсіюватися відповідно до рішення
рівняння вісесиметричної консолідації
Рішення цього рівняння при β0 = 1 отримано Р.А. Барроном [34] і має вигляд
24
Мал. 1.9. – Розсіювання надлишкового порового тиску навколо лідируючої
свердловини при примусовому розширенні її радіусу (uw1) на величину u1 і
також при повільному її розширенні (uw2).
На основі рішення Баррона Р.А. [34] наводиться формула А.З. Тер-
Мартиросяна [21], що враховує вплив швидкості зміни напруги на стінки
свердловини
на швидкість розсіювання надлишкового порового тиску
З цього рішення слідує, що при початковому нульовому значенні
порового тиску uw(0,r)=0 і при заданому зростанні p(t) з затухаючою швидкістю
згідно (1.19) отримуємо екстремальний розвиток надлишкового порового тиску
в часі (1.20). Причому при α1<<α0 не виникає надлишковий поровий тиск, тобто
uw(r,t)→0 (мал. 1.9) [21].
Висновки за розділом 1
Проаналізовано сучасний стан питання влаштування пальових фундаментів та
методів посилення будівельних характеристик зв’язних ґрунтів.
25
РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ГЛИНИСТИХ ҐРУНТІВ ПОТРІБНИХ ДЛЯ ПОСИЛЕННЯ ОСНОВ
ФУНДАМЕНТІВ
2.1. Методика дослідження
Один з основних та відповідальних етапів проектування та будівництва на
слабких водонасичених зв’язних глинистих ґрунтах є визначення параметрів
механічних властивостей ґрунтів у кожному інженерно-геологічному елементі,
в тому числі лінійної (Е, ν), нелінійної (Е, ν, φ, с) та реологічної (коефіцієнт
в'язкості η у Пуазах (1 Пуаз = Н*сек/м2 )).
Наявна апаратура для випробувань ґрунтів у науково-освітньому центрі
«Геотехніка» дозволяє вирішити ці завдання за результатами компресійних та
тривісних випробувань, а також випробування в умовах перекошування та
одноплощинного зрізу. Для виконання спеціальних експериментальних
досліджень застосовувалося сучасне сертифіковане та повірене обладнання
виробництва APS «WILLE Geotechnik» (Німеччина) яке являє собою
сервогідравлічну навантажувальну раму з граничним осьовим зусиллям 63 кН,
камеру тривісного стиснення типу «А», блок керування сервогідравлічним
приводом, блок обробки даних, що надходять з датчиків тисків і переміщень,
блок керування тиском повітря та керуючий комп'ютер.
Загальні вимоги до складу, конструкції, вимірювальних пристроїв та
тарування установки для випробування ґрунтів методом тривісного стиснення
при циклічних та вібраційних навантаженнях відповідають вимогам ДСТУ
Б.В.2.1-17:2009 «Ґрунти. Методи лабораторного визначення характеристик
міцності та деформованості».
У процесі випробування ґрунтів в автоматичному режимі (програмне
забезпечення «GEOsys 8.7.12») реалізується задана траєкторія навантаження,
при цьому вимірюються такі величини: вертикальне осьове зусилля (датчик
сили на штоку поршня); вертикальне переміщення верхнього штампу (LVDT-
датчик на штоку); тиск у камері (блок керування тиском повітря); тиск порової
26
рідини (датчик тиску в нижньому штампі). Початкові установки програми
випробування включають: введення вихідних даних, необхідних для обчислення
напружень та деформацій у процесі випробування: висота та діаметр зразка;
діаметр штока; розташування датчика сили та переміщень; частота зчитування
показань кожного датчика; введення умови припинення експерименту:
величина максимальної деформації, кількість циклів або тривалість
навантаження; знімаються вихідні (умовно нульові) показання всіх датчиків.
2.2. Аналіз основних методів дослідження механічних властивостей ґрунтів
зі застосуванням сучасного обладнання
Для визначення фізико-механічних та динамічних параметрів ґрунтів
основ були виконані спеціальні лабораторні дослідження при статичних,
кінематичних та вібраційних навантаженнях із застосуванням приладів
тривісного (мал. 2.1 та мал. 2.2) та компресійного стиснення, а також
одноплощинного зрізу вітчизняного (ТОВ «Геотек») та зарубіжного
виробництва (APS Wille).
Опис виконання та методики проведення лабораторних досліджень були
раніше представлені в нормативно-технічній документації та наукових роботах
багатьох учених [ 2, 5, 7-9].
Для відновлення вихідного (природного) напружено деформованого стану
ґрунтів перед початком виконання лабораторних досліджень для отримання
коректних результатів виділяється дві фази лабораторних досліджень:
попереднє ущільнення під впливом гідростатичного (обтискаючого) тиску та
прикладання додаткових (девіаторних) напруг. Перший, званий етапом
консолідації, дозволяє змоделювати природний напружено-деформований стан
у зразку.
Другий – додаткове (девіаторне) навантаження - проводиться по-різному в
залежності від виду та умов прикладення обтискаючого та додаткового
27
навантаження. Для кожної конкретної фази програмою випробувань може бути
передбачена окрема схема дренування, що дозволяє виділити три різні режими
або схеми випробувань, що проводяться:
1. У процесі проведення неконсолідовано-недренованого випробування (ПН)
необхідно передбачити відсутність припливу рідини, та зв'язку з цим під час
застосування гідростатичного тиску не відбувається розсіювання тиску порової
рідини у зразку ґрунту. Не допускається приплив рідини та в процесі
застосування додаткових напруг.
2. У процесі проведення консолідовано-недренованого випробування (КН)
допускається приплив рідини одночасно з додатком стискаючого тиску, так що
зразок повністю ущільнюється під цим тиском. Не допускається приплив рідини
в процесі застосування додаткових вертикальних напруг.
3. У процесі проведення консолідовано-дренованого випробування (КД)
допускається приплив рідини у процесі проведення всього випробування, таким
чином, повне ущільнення відбувається при застосуванні всебічної напруги, а
надлишковий тиск порової рідини під впливом додатку додаткових напруг не
з'являється або встигає розвіятись.
Вищевказане лабораторне обладнання було використане при виконанні
робіт з науково-технічного супроводу, а також при виконанні науково-
дослідних та дослідно конструкторських робіт, у тому числі для АТ «ЦНДІЕП
житла», АТ «СК ДОНБУД», для ряду аеропортових комплексів, ТОВ
«ЛУКОЙЛ-УНП», а також для низки іноземних об'єктів та замовників, зокрема
для «Визначення механічних характеристик відвального матеріалу та ґрунтів
основи ділянки відвалоутворення Кумтор» ЗАТ «Кумтор Голд Компані»
Киргизія, «Збільшення потужності теплових електростанцій "Східна Гавана" в
Санта-Крус-дель-Норте, провінція Маябеке, на 3 блоки 200 МВт з
використанням як паливо сирої кубинської нафти» Гавана, Куба, ТОВ «УК
«ДонДІС» та інших.
28
Мал. 2.1. – Встановлення тривісного Мал. 2.2. – Випробувальна установка для
стиснення у статичному та кінематичному проведення динамічних випробувань.
режимах навантаження.
Мал. 2.3. – Форма подання результатів випробування динамічного тривісного
стиснення у програмному комплексі GeoSYS.
29
Мал. 2.4. – Фотографія піщаного Мал. 2.5. - Фотографія зруйнованого
зразка ґрунту, підготовленого до піщаного зразка ґрунту, що зазнав
випробування в камері тривісного динамічного впливу в процесі
стиснення. тривісного стиснення.
2.3. Аналіз результатів лабораторних випробувань зв'язних ґрунтів
Для підвищення ефективності використання слабких водонасичених
зв’язних глинистих ґрунтів армованих щебеневими палями були виконані
лабораторні дослідження зв’язних ґрунтів на дослідному майданчику
будівництва об'єкта енергетики з метою порівняння характеристик ґрунтів до та
після перетворення основи за допомогою паль з щебеневого заповнювача.
Інженерно-геологічні умови дослідного майданчика.
Дослідний майданчик знаходився на території, яка відведена для
будівництва об'єкта енергетики. Геологічний розріз дослідного майданчика, що
розглядається, вивчений до глибини 15 м і представлений відкладами
четвертинної та крейдяної систем. Крейдяна система – сантонський ярус (K2s).
Відкладення сантонського ярусу представлені глинами сірими, твердою та
напівтвердою консистенції, гідрослюдистими, мергелястими, з включеннями
дресви мергелю середньої міцності та дресви глини твердої. Залягають на
глибині від 14,0 м, на абсолютній позначці 137,00. Відкрита потужність
відкладень один метр.
Четвертинні відкладення – стара фація (astQIV)
30
Відкладення старовинної фації представлені глинами, суглинками та
супіском сірого, зеленувато-сірого кольору. Глини тугопластичної консистенції,
з включенням раковин молюсків і рослинними залишками, що не розклалися.
Суглинки від напівтвердої до плинної консистенції з рослинними залишками,
що погано розклалися, із включеннями гравію мергелю, з тонкими лінзами
піску сірого. Супіски пластичної консистенції з рослинними залишками, що
погано розклалися, з лінзами піску дрібного, сірого, із включенням уламків
раковин молюсків. Відкрита потужність відкладень старої фації від 7,5 до 10,9
м.
Четвертинні відкладення – болотні відкладення (bQIV).
Представлені глинами та суглинками. Глини та суглинки темно-коричневі,
темно-сірі та чорні, від тугопластичної до плинної консистенції, слюдисті,
гніздами слабо відторфовані, плямами залізними з множинними включеннями
уламків раковин молюсків, з лінзами піску, із включенням рослинних і деревних
залишків, що погано розклалися. Потужність болотних відкладень від 1,4 до 4,4
м. Абсолютні позначки підошви змінюються від 144,50 до 146,90.
Четвертинні відкладення – ґрунтово-рослинний шар (pdQIV).
Представлений суглинками від твердої до текучепластичної консистенції
та супісками від пластичної до плинної консистенції, темно-коричневого до
темно-сірого кольору із залишками коренів рослин. Потужність шару становить
від 0,8 до 2,0 м. Абсолютні позначки підошви змінюються від 148,30 до 149,20.
Виготовлення ґрунтових паль, передбачених у проекті, проводиться
шляхом ущільнення щебеню різних фракцій, в основному 5-40 мм у
свердловині, влаштовується вдавлюванням ґрунтової основи. Зміцнення
ґрунтовими палями піддаються слабкі водонасичені ґрунти основи з абсолютної
позначки 138,00 до абсолютної позначки 146,00.
Для проведення дослідних робіт було виділено майданчик 50х15 м,
розташований в безпосередній близькості від запланованого розташування
31
об'єкта енергетики. Майданчик був поділений на три ділянки, на яких
виконувався пристрій ґрунтових колон з різним кроком та діаметром.
Схема дослідних ділянок із зазначенням розташування ґрунтових паль
представлена на мал. 2.6.
Мал. 2.6. – Схема дослідних ділянок із зазначенням розташування ґрунтових
паль.
Тривісні випробування дрібнодисперсних зв’язних ґрунтів
Мал. 2.7. – Загальний вигляд навантажувального пристрою 25 кН та камери для
зразків 50х100 мм
Даний вид випробувань проводився по консолідовано-дренованій схемі.
Після завантаження зразка в камеру приладу (мал. 2.7) та наповнення камери
водою проводився етап консолідації. Тиск на етапі консолідації становило 400,
800 та 1200 кПа. Після завершення етапу консолідації проводилося кінематичне
навантаження зі швидкістю 0,02 мм/хв (0,02 %/хв). Швидкість була визначена
на основі часу 100% консолідації. Випробування виконувалось до досягнення
32
значень відносних вертикальних деформацій εz значення 20% від початкової
висоти зразка.
В результаті аналізу обробки результатів випробувань було отримано
залежності відносних вертикальних деформацій εz від вертикального
навантаження z представлені мал. 2.8-2.9.
Мал. 2.8. – Графік залежності відносних вертикальних деформацій εz від
вертикального навантаження z при тиску 200, 400 і 800 кПа (ІГЕ 5г)
Мал. 2.9. – Графік залежності відносних вертикальних деформацій εz від
вертикального навантаження z при тиску 200, 400 і 800 кПа (ІГЕ 5д)
Компресійні випробування дрібнодисперсних зв’язних ґрунтів.
Випробування проводилися в режимі статичного навантаження.
Початкова величина вертикальної напруги становила 5 кПа і зростала до 1280
кПа. Величина кожної наступної ступені вертикальної напруги дорівнювалися
подвійному значенню попередньої. Після стабілізації на останньому ступені
здійснювалося розвантаження.
33
В результаті обробки результатів випробувань було отримано залежності
вертикальних відносних деформацій від вертикального напруги. За даними
залежностями було визначено коефіцієнти відносної стисливості та модулі
деформації.
Мал. 2.10. – Графік залежності відносних вертикальних деформацій εz від
вертикального навантаження z, де крива (2) отримана за результатами обробки
численних випробувань.
Мал. 2.11. – Графік залежності відносних вертикальних деформацій εz від
вертикального навантаження z, де крива (2) отримана за результатами обробки
численних випробувань.
Консолідація дрібнодисперсних зв’язних ґрунтів
Випробування супіщаних і зв’язних глинистих ґрунтів виконувались у
компресійному приладі в режимі спостереження за консолідацією. Величина
вертикальної напруги дорівнювала сумі побутового тиску на глибині відбору
зразка та додаткового тиску від споруди, що дорівнює 0,6 МПа. Після
34
застосування вертикального навантаження зразки витримувалися до стабілізації
вертикальних переміщень, але не менше ніж 10 днів.
В результаті обробки результатів випробувань було отримано залежності
вертикальних відносних деформацій від часу, побудовані у
напівлогарифмічному масштабі. За отриманими залежностями були визначено
коефіцієнти первинної та вторинної консолідації Сν і Cα.
Мал. 2.12. – Графік залежності Мал. 2.13. – Графік залежності
відносних вертикальних деформацій відносних вертикальних деформацій
εz від логарифму часу t, хв. εz від логарифму часу t, хв.
З малюнків 2.12 та 2.13 видно, що виділяється первинна (фільтраційна) та
вторинна консолідації S(t)=α ln t. Це дозволяє визначити параметри первинної
та вторинної консолідації cv=0,0552 м2/доб, сα=1,83·10-4.
Випробування одноплощинного зрізу дрібнодисперсних зв’язних ґрунтів
Загальний вигляд установок для випробувань одноплощинного зрізу
представлений на мал. 2.14.
Мал. 2.14. – Загальний вигляд установок одноплощинного зрізу.
35
Випробування проводилися за консолідовано-дренованою схемою. Перед
проведенням випробування зразки піддавалися попередньому ущільненню до
стабілізації вертикальної деформації. Тиск попереднього ущільнення становило
200, 400 та 800 кПа. Після завантаження зразків у зрізову коробку прикладався
відповідний тиск після витримки протягом 30 хв. починався кінематичний зріз
зі швидкістю 0,05 мм/хв. Випробування проводилося до досягнення
горизонтальними переміщеннями значення 10 мм, або до стабілізації дотичних
напруг τ.
З малюнків 2.15 та 2.16 видно, що при кінематичному зсуві δІ =const
залежності τ-δ мають характерну екстремальну залежність з функцією τmax та
τост. Оскільки переміщення δ пов'язано з кутовою деформацією і товщиною
зсувної частини зразка ∆h, тобто, γ=δ/∆h, то по початковій ділянці кривих τ-δ
можна визначити модуль зсуву G=τ/γ.
Мал. 2.15. – Графік залежності Мал. 2.16. – Графік залежності
відносних горизонтальних відносних горизонтальних
переміщень δ, мм від напруг, що переміщень δ, мм від напруг, що
зсувають τ, кПа. зсувають τ, кПа.
Результати лабораторних випробувань незв’язних ґрунтів
На основі аналізу виконаних Соболєвим Є.С. [18] спеціальних
лабораторних досліджень незв'язних ґрунтів у режимі тривісного стиску в
36
кінематичному і динамічному режимах застосування навантаження та
камеральної обробки були отримані значення коефіцієнтів віброповзучості на
етапі вібраційного (динамічного) навантаження. Їх використання дозволяє
визначити параметри в'язкості ґрунту в залежності від дотичних напруг.
Для опису зсувних деформацій повзучості використовувалась реологічна
модель Максвелла, яка стосовно ґрунтового середовища є рівнянням Бінгама-
Шведова-Маслова у вигляді
, (2.1)
де ɲ(t,m) – в'язкість, що змінюється в часі, G(m) – модуль зсуву, залежить в
загальному випадку від m=(1 +2 +3)/3; τi та τi* – діюче та граничне значення
дотичних напруг, причому τi*=mtgi+ci, де i та ci – параметри міцності
граничної прямої у площині.
Використання отриманих результатів випробувань
За результатами камеральної обробки виконаних Соболєвим Є.С. [18]
спеціальних лабораторних досліджень параметр віброповзучості Квп, визначався
за величиною додаткових осьових деформацій після етапу вібраційного
навантаження.
Для обліку додаткових осідань від віброповзучості ґрунтів
використовується додатковий коефіцієнт (Квп), що знижує величину статичного
модуля загальної деформації Даний підхід до прогнозу віброповзучості ґрунтів
може бути названий квазістатичним, тому що він здійснюється в рамках
традиційних статичних методів розрахунку осідання основ споруд. Слід
відзначити, що віброповзучість яскравіше виражається при зсувних
деформаціях. Врахування даного ефекту при зрушенні в основах споруд
необхідний у випадках, коли переважають зсувні механізми розвитку осідань [3,
4, 14-15, 20].
Значення коефіцієнта віброповзучості для досліджуваних ґрунтів,
обчислювалися за наступною залежністю
(2.2)
де ∆εс та ∆εд - приріст деформації від статичного та динамічного навантаження
в заданому діапазоні напруг.
37
Модуль деформації ґрунту з урахуванням деформації віброповзучості слідує
визначати за формулою
ЕД=Ес·Квп, (2.3)
де
Після обробки лабораторних випробувань було отримано значення
коефіцієнта віброповзучості (Квп), а також фіксувалися значення тиску порової
рідини на етапі вібраційного навантаження для кожного зразка при заданій
частоті динамічного впливу.
Тривісні випробування щебеню. Для виконання спеціальних лабораторних
тривісних досліджень великоуламкових ґрунтів застосовувалося сучасне,
сертифіковане та повірене обладнання виробництва ТОВ «Геотек», що
складається з кінематичного навантажувального пристрою 500 кН, механічного
нагнітача 2 МПа, блоків електронно-перетворювальних, камери тривісного
стиснення типу "А" для зразків висотою 600 мм і діаметром 300 мм та
персонального комп'ютера з програмним забезпеченням компанії розробника
обладнання. Загальний вигляд установки представлено на мал. 2.17.
Обладнання, що використовується, дозволяє проводити випробування за
схемою здавлювання у тривісному приладі з виміром - вертикального зусилля
датчиком сили з точністю ±0,5%; - вертикальної деформації датчиком
переміщень із точністю ±0,2 %; - бічного тиску датчиком тиску з точністю ±1%.
Зразки готувалися з наданого щебеню крива гранулометричного складу,
представленого на мал. 2.18
38
Мал. 2.17. – Загальний Мал. 2.18. – Крива гранулометричного складу
вигляд навантажу- представленого матеріалу.
вального пристрою 500
кН та камери для зразків
300х600 мм.
Для виготовлення зразків виготовлялася середня проба з усієї
представленої наважки ґрунту. Перед виготовленням зразка із суміші
виключалися всі частинки більше 50 мм для дотримання вимог нормативних
документів. Для моделювання замулювання ґрунтових колон і можливого
погіршення умов контакту між частинками за рахунок утворення плівки
глинистого матеріалу проводилося заповнення пір суспензією ґрунту у воді.
Процес складання зразка представлений на мал. 2.19.
Мал. 2.19. – Процес формування зразка висотою 600 мм та діаметром 300 мм.
Випробування проводилися за консолідовано-дренованою схемою при
повному водонасиченні зразка ґрунту. Після розміщення виготовленого зразка в
камері тривісного приладу та заповнення камери водою проводився етап
консолідації. Тиск на етапі консолідації становив 200 кПа. Після завершення
39
консолідації проводилося кінематичне навантаження зі швидкістю 0,3 мм/хв.
(0,05%/хв). Випробування проводилося до досягнення відносними
вертикальними деформаціями значення 20% від початкової висоти зразка або до
руйнування зразка. У ході проведення випробувань було встановлено, що зі
збільшенням величини бічного тиску гострі краї частинок щебеню прорізають
латексну оболонку, внаслідок чого випробування при вищому тиску виконати
не вдалося.
Також було виконано три випробування зразків щебеню діаметром 100 мм
і заввишки 200 мм. Дані зразки виготовлялися шляхом укладання в обойму
щебеню з фракцією не більше 15 мм. Для захисту оболонки «утворювальна»
зразка захищалася складчастим нетканим матеріалом. Випробування
проводилися при повному водонасиченні. Графіки за результатами випробувань
наведено на мал. 2.20.
Мал. 2.20. – Графіки залежності відносних вертикальних деформацій від
вертикального навантаження (щебінь при тиску 120, 180 і 240 кПа)
Модельне випробування палі з щебеневого заповнювача з навколишнім
слабким ґрунтом (комірки).
З метою підтвердження спільної роботи вміщувального ґрунту та щебеню
був виготовлений зразок композитного ґрунту (комірки) із збереженням
геометричних співвідношень компонентів комірки в натурі.
Для цього виконувався поздовжній розріз керна, по осі кожної половини
виконувався жолоб шириною 40 мм, після чого дві половини стулялися. З керну
виготовлявся зразок діаметром 100 мм та висотою 200 мм. Після встановлення в
камеру порожнина у зразку заповнювалася сумішшю щебеню з крупним піском
40
фракції до 20 мм. Процес виготовлення зразків щебеню та композитного
матеріалу представлений на мал. 2.21
Мал. 2.21. – Процес виготовлення моделі (комірки) із товстостінного
глинистого ґрунтового циліндра, що містить щебенево-піщану дрену
Випробування проводилися за консолідовано-дренованою схемою при
повному водонасиченні. Після завантаження зразка в камеру приладу та
заповнення камери водою проводилася консолідація. Тиск консолідації
становив 1000 кПа для відтворення напружень, що виникають при втрамбуванні
щебеню в ґрунт. Після завершення консолідації проводилось кінематичне
навантаження зі швидкістю 0,01 мм/хв (0,005 %/хв.). Випробування
проводилися до досягнення відносними вертикальними деформаціями значення
20% або до руйнування зразка.
Мал. 2.22 – Графік залежності відносних вертикальних деформацій від
вертикального навантаження (композитний ґрунт при тиску, що стискає 120 і
220 кПа)
За цими кривими (мал. 2.22) визначався наведений модуль деформації
складеного циліндра за формулою
На початковій ділянці при εz=0,1, εz = (z /Е0)·0,8; Е= (0,6/0,01)·0,8 МПа.
З метою оцінки ефективності застосування способу ущільнення
щебеневими палями були складені таблиці 2.1 та 2.2, в яких наведено значення
основних фізико-механічних параметрів, середні по результатам лабораторних
випробувань.
41
42
43
Висновки за розділом 2
1. Проаналізовані механічні властивості зв’язних та незв'язних ґрунтів,
відібраних з дослідного майданчика об'єкта посилення основ фундаментів та
енергетичного будівництва до та після ущільнення слабкого ґрунту
проводились на сучасному обладнанні.
2. В результаті ущільнення слабкого ґрунту палями з дренажними
властивостями, виготовленими з щебеневого заповнювача, відбулося
збільшення середньої щільності сухого ґрунту на величину від 2,9% до 9,9%.
3. Вологість знизилася на 25,6%, а ступінь водонасичення залишилася, що
дорівнює 1, що вказує на ефективне зменшення обсягу пір.
4. Середній коефіцієнт пористості зменшився на 15% і становить 0,873.
5. Питоме зчеплення зросло більше ніж удвічі та становить 49,5 кПа
(одноплощинний зріз) та 63 кПа (трьохосний стиск).
6. Кут внутрішнього тертя залишився без істотних змін та становить
щонайменше 19,5°.
7. Середній модуль деформації за результатами штампових випробувань
збільшився з 4 МПа до 11 МПа.
8. Середній модуль деформації за результатами трьохвісних випробувань
збільшився з 10,57 МПа до 21,91 МПа.
44
РОЗДІЛ 3. АНАЛІЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ
ПАЛІ З ЩЕБЕНЕВИМ ЗАПОВНЮВАЧЕМ В ВОДОНАСИЧЕНОМУ
ГЛИНИСТОМУ ҐРУНТІ.
3.1. Загальна характеристика та методика дослідження
В основі технології виготовлення палі з щебеневого заповнювача в
слабкому глинистому ґрунті лежить ідея глибинного ущільнення слабкого
ґрунту шляхом примусового розширення діаметра свердловини, що лідирує в
забої, домкратами підвищеної потужності до 300 т. Технологія виготовлення
паль з щебеневого заповнювача з дренажними властивостями розроблена АТ
«НДІграфіт» за участю та науково-експериментальному супроводі
співробітників науково-освітнього центру «Геотехніка»).
В результаті в навколишньому масиві виникають значні радіальні і
тангенційні напруги, які ущільнюють і консолідують слабкий ґрунт навколо
палі-дрени. При цьому ущільняється не лише слабкий шар, але також паля з
щебеневого заповнювача. У процесі задавлювання чергової порції робочого
матеріалу можливо часткове проникнення глинистого ґрунту в міжпоровий
простір щебеневого ґрунту.
Ця технологія може бути застосована в складних інженерно-геологічних
умовах на майданчику будівництва за наявності в товщі основи ґрунтів з
низькими механічними характеристиками (зокрема глинисті ґрунти в
текучепластичній та текучій консистенції). Такі ґрунтові умови часто
ускладнені високим розташуванням рівня ґрунтових вод, тому слабкі ґрунти
можуть мати високий рівень водонасичення або бути повністю
водонасиченими. Технологія не передбачає її використання в товщі органічних
або органомінеральних ґрунтів із вмістом органічних речовин більше 10%
внаслідок непрогнозованої зміни в гірший бік (розкладання) їх фізико-
механічних характеристик у часі. Ефективність застосування цієї технології
залежить від експериментального та теоретичного обґрунтування, тобто.
наукового супроводу проекту та експериментів. АТ «Енергопроект» для цієї
мети було виділено дослідну ділянку розмірами 25 х 15 м. Співробітники
науково-освітнього центру «Геотехніка» брали участь у штампових
випробуваннях готових паль з щебеневого заповнювача та навколишнього
ґрунту. Ними ж було вирішено завдання щодо розширення лідируючої
свердловини на основі теорії фільтраційної консолідації [23].
45
3.2. Визначення особливостей технології ущільнення слабкої основи
методом глибинного ущільнення ґрунтовими палями
У довіднику проектувальника при глибині сильно стискаємих ґрунтів
більше 10 м рекомендується виконувати попереднє ущільнення ґрунтів
тимчасовим навантаженням з пристроєм вертикальних дрен для зменшення
тривалості консолідації ґрунтів та ущільнення слабких водонасичених ґрунтів.
Відповідно до вимог нормативних документів за наявності на основі
органомінеральних відкладень рекомендується ущільнення ґрунтів тимчасовим
або постійним навантаженням основи споруди або всього майданчика
будівництва насипним (намивним) ґрунтом або іншим матеріалом (з
улаштуванням шару, що фільтрує, або дрен при необхідності прискорення
процесу консолідації основи). Зазначено, що «Залежно від типу основи, ступеня
заторфованості, глибини залягання та товщини органомінеральних та
органічних ґрунтів, а також конструктивних особливостей проектованої
споруди та висунутих до неї експлуатаційних вимог рекомендуються наступні
варіанти спеціальних заходів: ущільнення основи тимчасовим або постійним
навантаженням, у тому числі з улаштуванням вертикальних дрен та дренажних
прорізів - для основ I та II типів...». Так як слабкі глинисті ґрунти мають високу
стисливість, то ці рекомендації підходять і для цього типу слабких основ.
Наявність шару великої потужності, що складається із слабких
водонасичених ґрунтів в основі сильно ускладнює його посилення за
допомогою повної заміни вихідного природного ґрунту на піщані або ґрунтові
подушки через велику необхідну глибину їх зведення і вимагає колосальних
техніко-економічних і тимчасових трудовитрат на його якісне пошарове
ущільнення (забезпечення проектних параметрів якості насипу - щільності
сухого ґрунту або коефіцієнта ущільнення по всій товщі подушки, що
влаштовується) [24, 25]. В останні десятиліття для попереднього ущільнення
основ, що включають слабкі водонасичені ґрунти, застосовуються два різних
способи: поверхневе ущільнення з використанням піщаних дамб і насипів і
глибинне ущільнення з використанням глибинних трамбівок і ін., що
створюють на основі, що містить слабкі водонасичені ґрунти значні радіальні
напруження.
За технологією глибинних трамбувань пропонується реалізовувати
ущільнення основи, що складається, в тому числі з шару слабкого
водонасиченого ґрунту великої потужності за допомогою пристрою в ньому
ґрунтових паль з щебеневого заповнювача з дренажними властивостями
відповідно до наступних положень:
46
1. Пристрій паль із щебеню ведеться з пошаровим вдавлюванням робочого
матеріалу (щебеню) в забій лідируючої свердловини з великим стискальним
вертикальним зусиллям снаряда (органу), що занурюється, що призводить до
виникнення значних додаткових радіальних і тангенціальних напруг і
розширення стінок лідируючої свердловини. При цьому у водонасиченому
масиві ґрунту навколо палі виникає надлишковий поровий тиск, що ініціює
процес фільтраційної консолідації.
2. Ґрунтові палі з щебеню мають водопроникність на порядок вище, ніж у
навколишнього шару слабкого водонасиченого ґрунту. У зв'язку з цим вони
виступають у ролі дрен, які значно прискорюють процес консолідації,
збільшуючи швидкість процесу відтискання води із слабкого шару
навколишнього ґрунту, а також скорочуючи шлях горизонтальної фільтрації.
3. Після влаштування паль із щебеню та закінчення процесу консолідації,
штучне (що складається з паль ущільнення, навколишнього та підстилаючого
ущільненого ґрунтів) основа буде працювати як єдиний перетворений масив,
для якого можливо визначити наведені механічні характеристики для
розрахунку за граничними станами з подальшим застосуванням при розробці
проекту нульового циклу та несучих конструкцій.
Навантаження та впливи
Технологія глибинного ущільнення слабких водонасичених ґрунтів
передбачає створення перетвореної основи, ущільненої ґрунтовими палями, із
заданими проектом параметрами, що призначаються залежно від типу та виду
споруди, типу та виду фундаментів, навантажень та впливів, що передаються на
основу та інженерно-геологічних умов майданчика будівництва. Технологія
глибинного ущільнення передбачає, що роль ущільнюючого навантаження
відіграють радіальні і тангенціальні напруги навколо лідируючої свердловини,
що розширюється, при вдавлюванні щебеню в забій лідируючої свердловини.
Це в кілька разів перевищує напругу при поверхневому ущільненні і досягає 5-
10 МПа.
Властивості слабкої основи
Вихідними даними для можливості застосування технології необхідні
результати інженерно-геологічних досліджень на майданчику будівництва.
Серед механічних властивостей слабкого ґрунту необхідно мати результати
визначення наступних параметрів: модуля деформації Е (кПа), коефіцієнта
Пуассона (ν), кута внутрішнього тертя (о) і питомого зчеплення c (кПа). Також
необхідна наявність значень фізичних характеристик слабкого ґрунту: питомої
ваги γ (кН/м3) і коефіцієнта пористості е.
47
Вищезазначені фізико-механічні характеристики використовуються для
попереднього визначення деформаційних параметрів ґрунту після закінчення
процесу ущільнення. Для цього заздалегідь обчислюється коефіцієнт пористості
ущільненого ґрунту за законом компресійного ущільнення при заданому
значенні деформації розширення робочого матеріалу в свердловині, що
розширюється при вдавлюванні щебеню при формуванні ґрунтової палі
еi = ео - (1 + ео)·εi (3.1)
де еi - значення коефіцієнта пористості ґрунту навколо паль при дієвій
деформації ущільнення εi; ео - початковий коефіцієнт пористості ґрунту, що
ущільнюється.
Також обчислюється прогнозне значення показника плинності IL ґрунту за
формулою
(3.2)
де IL1 - значення показника плинності ґрунту в природному стані; IL2 - значення
показника плинності після ущільнення; еI - значення коефіцієнта пористості в
природних умовах; е2 - значення коефіцієнта пористості після ущільнення; w1 -
вологість ґрунту в природних умовах; wp - вологість межі пластичності.
для мінеральних ґрунтів без органіки та для органомінеральних із вмістом
органічних речовин до 10%, приймається найближче попереднє значення для
модуля деформації при відповідному коефіцієнті пористості е і показнику
текучості ґрунту після ущільнення.
Технологія застосовується для ущільнення мінеральних та
органомінеральних ґрунтів із вмістом органічної речовини до 10%. Для органо-
мінеральних ґрунтів із вмістом органічної речовини більше 10% та органічних
(вміст органічної речовини більше 50%) запропонована технологія не
підходить, тому що не перетворює їхню структуру, яка змінюється у часі
(відбувається розкладання органічної речовини).
Застосовувані матеріали та його властивості
Як матеріал для ґрунтових паль ущільнення можуть застосовуватися
піщані та великоуламкові ґрунти з параметрами водопроникності, що значно
перевищують швидкість ущільнення слабкого ґрунту. Деформаційні властивості
матеріалу палі ущільнення після його вдавлювання в лідерну свердловину
визначаються наведеним модулем деформації на майданчику будівництва.
При влаштуванні ґрунтових паль у ґрунтах, в яких можливе виникнення
механічної суфозії, необхідно розглядати використання як матеріал для паль
48
щебенево-піщаного матеріалу, склад якого підбирається таким чином, щоб
запобігти можливості проникнення слабкого ущільнюваного ґрунту через її
тіло.
При влаштуванні ґрунтових паль у зв’язних глинистих ґрунтах також
рекомендується використовувати щебенево-піщану суміш для зменшення
швидкості розвитку процесу кольматації тіла палі.
Питання можливості виникнення кольматації тіла палі є приватним і у
кожному окремому разі залежно від ґрунтових умов. Кінцеве рішення про склад
матеріалу палі ущільнення приймається в ПОС і ППР. Матеріалом для паль
може бути як чистий щебінь, так і щебенево-піщана суміш.
Оснащення для улаштування ґрунтових паль ущільнення
Для улаштування ґрунтових паль ущільнення потрібно обладнання для
продавлювання лідерної свердловини та обладнання для вдавлювання сипучого
(робочого) матеріалу палі в нею [24]. Устаткування для буріння застосовується
найбільш поширене та типове у регіоні будівництва. Лідерну свердловину
формують втисканням робочого інструменту на необхідну глибину,
передбачену та призначену проектом. Таким чином відбувається початкове
ущільнення. Інструмент при цьому не виймають. На нього встановлюють
ємність (бункер) та засипають робочий матеріал (щебінь). Після цього
відкривають заслінку, і робочий матеріал (щебінь) досягає нижнього кінця
інструменту. Після висипання робочого матеріалу (щебеню) інструмент
піднімають на задану висоту, а робочий матеріал (щебінь), що досяг дна
свердловини, залишається на тій же глибині і його ущільнюють повторним
вдавлюванням інструменту (зануренням інструменту) на певну відстань. Таким
чином, лідерна свердловина значно розширюється і формується ґрунтова паля, а
ґрунт навколо неї ущільнюється в радіальному (горизонтальному) напрямку.
Ущільнення слабкого ґрунту навколо палі викликає активізацію та прискорення
процесу консолідації через виникнення надлишкового порового тиску.
Найбільш простий вдавлюючий інструмент машини може бути трубою
відповідного діаметра і товщини (здатну сприймати вертикальне навантаження
до 300 т) із заслінкою на нижньому торці.
49
Мал. 3.1. - Схема подачі та вдавлювання робочого матеріалу (щебеню) в забій
лідируючої свердловини
Вибір геометричних параметрів розташування ґрунтових паль
ущільнення в плані
Основними геометричними параметрами в проекті ущільнення
ґрунтовими палями з щебеню є їх довжина, діаметр лідерної свердловини,
діаметр виготовленої палі, крок паль у плані, форма розташування паль у плані.
Від цих параметрів залежить ступінь ущільнення слабкого масиву ґрунту і, як
наслідок, величини наведених деформаційних характеристик штучної основи.
Вибір довжини ґрунтових паль ущільнення
Палі із щебеню виконуються на всю потужність поширення слабких
водонасичених ґрунтів із модулем деформації менше 10 МПа, механічні
характеристики яких потрібно підвищити. Для визначення довжини ґрунтових
паль попередньо визначається глибина стисканої товщі за стандартною
методикою. Якщо нижня межа товщини, що стискається, потрапляє в ґрунти з
модулем деформації менше 10 МПа, то рекомендується виконати ґрунтові палі
на всю його потужність. По можливості слід підбирати довжину палі
ущільнення таким чином, щоб її нижній торець упирався в ґрунти з досить
високими механічними характеристиками E>40 МПа. При негоризонтальному
заляганні покрівлі робочого шару (міцного і відносно малодеформованого
ґрунту) довжина паль повинна призначатися таким чином, щоб усі нижні торці
елементів ущільнення, що виконуються, гарантовано були занурені в нього не
менше ніж на 0,5 м.
50
Вибір кроку та варіанта розташування ґрунтових паль у плані
Вибір кроку паль здійснюється шляхом підбору з наступним розрахунком.
Так як ґрунтові палі влаштовуються шляхом пошарового вдавлювання
матеріалу в лідерну свердловину, що значно впливає на навколишній масив
ґрунту (і сусідні палі ущільнення), рекомендується приймати відстань між
ґрунтовими палями ущільнення величиною не більше трьох діаметрів робочого
інструменту.
Розташування паль у плані може бути прямокутною сіткою, в шаховому
порядку. Розставляння паль по майданчику має бути рівномірним для
отримання однакових механічних властивостей штучної основи по всьому
майданчику будівництва.
Ґрунтові палі рекомендується розміщувати у плані по вершинах правильного
шестикутника (мал. 3.2 у разі кроку 1 м).
Пропонується дві принципові схеми розташування паль:
а) спочатку палі влаштовуються по вершинах рівностороннього шестикутника,
потім – у його центрі (мал. 3.2);
б) на першому етапі виконуються палі зовнішнього шестикутника зі палею по
центру, потім на перетині медіан рівносторонніх трикутників, що вийшли,
виконуються внутрішні палі (також по вершинах правильного шестикутника)
(мал. 3.3).
При виконанні робіт найпростішою з технологічної точки зору є перша
схема, проте друга забезпечує більш ефективне ущільнення масиву ґрунту.
Остаточне рішення про вибір схеми розташування паль ущільнення
приймається проектувальником.
У процесі пристрою паль зусилля, що додається для формування палі та
ущільнення щебеню змінюється в залежності від розташування палі, що
влаштовується відносно вже виконаних, що пов'язано зі зміною напружено-
деформованого стану ґрунту навколо паль.
Схема пристрою в процесі виконання робіт може бути змінена після
обробки даних занурення перших паль зі збереженням кроку.
Верх ґрунтової палі потрібно виконувати на 0,5-1 м вище від проектної
позначки. При влаштуванні ґрунтової палі рекомендується формувати
ущільнену зону в основі під її нижнім кінцем. Для цього на першому етапі
ущільнення ґрунтової палі потрібно вдавлювати робочий орган ущільнювача на
всю довжину відсипаного матеріалу за крок. В результаті щебеневий матеріал
на першому кроці буде втиснуто в слабкий ґрунт під нижнім кінцем палі, що
викличе збільшення його міцності і стійкості.
51
Мал. 3.2. - Типове розташування Мал. 3.3. - Типове розташування паль з щебеневого
паль ущільнення та послідовність їх заповнювача ущільнення та послідовність їх
виконання (1-6 - номери виконання на майданчику будівництва з кроком 1000
послідовності виконання паль) на мм між осями паль (схема №2) (1-13 - номери
майданчику будівництва з кроком послідовності виконання паль, ліворуч - перша черга
1000 мм між осями паль (схема №1) пристрою паль, праворуч - друга черга пристрою
паль)
Визначення необхідного збільшення вихідного діаметра свердловини у процесі
вдавлювання
Від того, яких необхідно досягти деформаційних характеристик слабкого
ґрунту навколо ґрунтової палі, залежить величина необхідного розширення
стінки палі при її трамбуванні. Звідси задається необхідна деформація задля
досягнення проектних характеристик ущільненого ґрунту навколо палі. Тобто,
маючи вихідне значення модуля деформації та коефіцієнта пористості ґрунту,
який буде піддаватися ущільненню, необхідно задатися величиною
одержуваного після ущільнення модуля для ґрунтів із вмістом органіки до 10%,
четвертинних алювіальних ґрунтів, (за відсутності даних для типу ґрунту, що
становить майданчик майбутнього будівництва, величину відносної деформації
призначають величиною 0,3, виконують роботи на дослідній ділянці, що
складається з сітки 5х5 паль, і виконують додаткові інженерно-геологічні
дослідження для визначення досягнутих при ущільненні фізико-механічних
характеристик) у першому наближенні прийняти відповідний йому коефіцієнт
пористості, що змінився. За різницею коефіцієнтів пористості можна визначити
необхідну деформацію стовбура палі при вдавлюванні матеріалу (розширення у
радіальному напрямку). Таким чином, величиною радіальної деформації
задаються, перевіряючи необхідний для досягнення модуль деформації
ґрунтової палі при обліку модуля деформації навколишнього ґрунту відповідно
до формули для визначення наведеного модуля деформації штучної основи.
Якщо модуль деформації ґрунтової палі виходить недосяжним (з технологічних
чи інших міркувань), то у проекті може змінюватися значення деформації чи
кроку паль (тобто змінюється або ступінь вдавлювання, чи його крок у плані).
52
У разі ущільнення більше одного ІГЕ (шарувата основа), величину
деформації визначають для кожного інженерно-геологічного елемента.
Так як радіальну деформацію тіла палі при ущільненні можна подати у
такому вигляді
(3.3)
Радіус збільшеної у процесі ущільнення щебеню палі можна отримати виходячи
з виразу
(3.4)
де r2 - кінцевий радіус ґрунтової палі; R - радіус впливу однієї ґрунтової палі,
що дорівнює половині відстані між центральними осями сусідніх паль.
При використанні робочого інструменту квадратного перерізу (або
перерізу у вигляді будь-якого правильного багатокутника з кількістю сторін
більше чотирьох) форма палі збільшеного радіусу також буде близькою до кола.
Усі розрахунки виконуються для моделі палі круглого перерізу. На практиці
при необхідності використання квадратного робочого інструменту приймається
поперечний переріз квадратної форми з площею, що дорівнює або більше площі
круглого перерізу. Це необхідно для рівності обсягів матеріалу, що засипається
і ущільнюється в свердловину.
3.3. Аналіз полігонних експериментів щодо визначення ефективності
застосування паль з щебеневого заповнювача
З метою апробації розробленої методики розрахунку слабких основ -
визначення наведеного модуля деформації однієї комірки, що складається з палі
з щебеневого заповнювача та укріпленого ґрунту в зоні вантажної площі цієї
палі - на дослідному майданчику були виконані АТ «НДІграфіт» штампові
випробування. Роботи виконані відповідно до вимог нормативних документів.
Випробування проводилися на окремих ділянках перетвореного масиву,
що складаються із палі з щебеневого заповнювача та навколишнього ґрунту в
області вантажної площі палі за допомогою нестандартних плоских штампів
діаметром 1000 мм великої площі (7854 см2) відповідно до ДСТУ Б.В.2.1-7-2000
«Ґрунти. Методи польового визначення характеристик міцності та
деформованості» [9].
Результати проведених штампових випробувань показали, що отримані
значення модулів деформації повністю зіставні з результатами теоретичного
визначення модуля деформації композитного масиву, що складається з
щебеневої колони і навколишнього ґрунту.
53
Ситуаційний план розташування дослідного майданчика, план дослідного
майданчика з розташуванням точок проведення штампових випробувань
наведено на мал. 3.4 – 3.6.
Мал. 3.4. - Ситуаційний Мал. 3.5. - План дослідного Мал. 3.6. - План свердловин
план майданчика майданчика та розташування та точок проведення
точок випробувань. штампових випробувань
Види, обсяги та методики виконаних робіт
Випробування проводились плоскими нестандартними штампами ᴓ 1000
мм. (площею 7854 см ) (мал. 3.7) та штампами ᴓ 1200 мм (площею 11310 см2) в
колодязі та на дні котловану на абсолютній позначці 145,00 м.
Мал. 3.7. - Штамп діаметром 1000 мм Мал. 3.8. - Схема випробувальної установки. 1 –
бетонні блоки масою 5 т; 2 – сталева балка; 3 -
залізобетонне кільце (колодязь); 4 – реперна
система; 5 – домкрат; 6 - олійна станція; 7 -
прогиноміри; 8 - вантажі-противаги; 9 – труба ᴓ325;
10 – штамп ᴓ1000 мм (1200 мм)
Випробування №1, виконане на 1-й захватці 1-ї ділянки, здійснювалося в
колодязі із залізобетонних кілець. Навантаження на штамп передавалося через
трубу ᴓ325х8. Упор домкрата здійснювався на поверхні у своєвдавлюючу
54
установку (мал. 3.8). Схема навантаження під час проведення випробувань на 2-
й ділянці виконувалася аналогічним чином.
Випробування № 2, 3 та 4, виконані на 2-й захватці 1-ї ділянки,
проводилися з дна котловану (мал. 3.9 – 3.12). Упор здійснювався у
привантажувальну платформу.
Мал. 3.9. - Загальний вигляд випробувальної Мал. 3.10. - Загальний вигляд випробувальної
установки. Випробування №1 установки. Випробування №2
Мал. 3.11. - Загальний вигляд випробувальної Мал. 3.12. - Загальний вигляд випробувальної
установки. Випробування №3 установки. Випробування №4
Монтаж штампу проводився на відм. 145,00 м. Після встановлення
штампу монтувалася сталева труба ᴓ325х8, яка необхідна для передачі зусилля,
пристрій для навантаження штампу - домкрат, підключений до маслостанції з
манометром, анкерний пристрій та вимірювальне обладнання (прогиноміри).
Облік температурних деформацій виконувався шляхом встановлення
контрольного прогиноміра [9].
Випробування проводилися з навантаженням до 0,18 МПа, ступені
навантаження 0,01 МПа з періодом умовної стабілізації в 4 години відповідно
до ДСТУ Б В.2.1-7-2000 «Ґрунти. Методи польового визначення характеристик
міцності та деформованості» [9].
План розташування точок штампових випробувань, схема випробувальної
установки, а також геологічні розрізи наведені далі. Зіставлення теоретичних та
55
експериментальних даних визначення модуля деформації основи наведено у
таблиці 3.2.
Обробка результатів випробувань
За результатами проведення штампових випробувань на дослідній ділянці
майданчика будівництва об'єкта енергетики було отримано криві залежності
осідання від тиску, а також оцифровані результати, які представлені на мал. 3.13
– 3.14.
Мал. 3.13. Аналіз результатів штампових випробувань №1-№4 (штамп 01000
мм)
Мал. 3.14. - Результати штампових випробувань №5-№7 (штамп ᴓ1200 мм)
Визначення модуля деформації ущільненого масиву ґрунту виконувалось на
основі польових випробувань ґрунтів штампом [9].
Модуль деформації ґрунту Е (МПа) обчислюється для лінійної ділянки графіка
«навантаження-осідання» за формулою
Е = (1 –ν2) К1· КР· D·(∆p /∆S) (3.5)
56
де ν - коефіцієнт Пуассона, який приймається рівним 0,42 - для глин 0,27; 0,35 –
для суглинків; 0,30 - для пісків та супісків; для великоуламкових ґрунтів; Кр -
коефіцієнт, який приймається за ДСТУ Б В.2.1-7-2000 «Ґрунти. Методи
польового визначення характеристик міцності та деформованості» [9] залежно
від заглиблення штампа h/D (h - глибина розташування штампу щодо поверхні
ґрунту, см; D - діаметр штампа, см); К1 - коефіцієнт, що приймається рівним
0,79 для круглого жорсткого штампу; ∆p - збільшення тиску на штамп, МПа; ∆S
- збільшення осідання штампу, см, що відповідає збільшенню тиску ∆p.
Модуль деформації обчислювався в діапазоні напруги 0,12-0,18 МПа.
Значення модуля деформації визначено як середньоарифметичне з трьох
значень, отриманих при штампових випробуваннях.
Величини модулів загальної деформації отримані при випробуваннях на 1
ділянці: Е1 = 45,07 МПа, Е2 = 42,88 МПа, Е3 = 56,64 МПа, Е4 = 44,09 МПа.
Нижній індекс позначає порядковий номер випробування відповідно до плану
розташування точок штампових випробувань. Середньоарифметичне значення
модуля деформації окремої ділянки перетвореного ґрунтового масиву становило
- 47,17 МПа. Величини модулів загальної деформації отримані при
випробуваннях на 2 ділянці: Е1 = 37,14 МПа, Е = 38,87 МПа, Е3 = 42,01 МПа.
Середньоарифметичне значення модуля деформації окремої ділянки
перетвореного ґрунтового масиву становило - 39,34 МПа.
3.4. Дослідження та аналіз зіставлення теоретичних та експериментальних
даних щодо визначення наведеного модуля деформації
Середнє значення наведеного модуля деформації окремої ділянки
перетвореного масиву на першій ділянці пальового поля з кроком паль 1 м
становить 47,17 МПа, на другій ділянці з кроком паль 1,2 м становить 39,34
МПа (обчислені як середні арифметичні за чотирма і трьома значеннями
відповідно).
Роботи виконані відповідно до вимог нормативних документів.
Значення модулів деформації, отримані за результатами проведення
штампових випробувань, можна порівняти з результатами теоретичного
визначення модуля деформації композитного масиву, що складається з
щебеневої колони та навколишнього ґрунту за формулою (див. розділ 4)
Е = β/m, (3 6)
де β=0,8 - коефіцієнт, що враховує перехід від одновісного стиску до
компресійного стиснення, m - коефіцієнт відносної стисливості, що
визначається за формулою
57
(3.7),
або
,
де ω =a2/b2; а - діаметр щебеневої колони, b - крок щебеневих колон, mг -
коефіцієнт відносної стисливості ґрунту, кПа-1, mс – коефіцієнт відносної
стисливості ґрунтової палі, кПа-1 mc = βc/Ec= 0,8/100= 8кПа-1.
Порівняння теоретичних та експериментальних даних представлені в таблиці
3.2.
3.5. Визначення деформаційних характеристик колони з щебеневого
заповнювача
Для визначення деформаційних характеристик щебеневої колони на
майданчику проводилися штампові випробування палі з щебеневого
заповнювача круглим штампом площею 600 см2 на глибині сім метрів, на
абсолютній позначці 144,00. Усього виконано шість випробувань.
Монтаж штампу проводився нижче забою свердловини на 0,5 м. Після
встановлення штампу монтувався пристрій для навантаження штампу, анкерний
пристрій та вимірювальне обладнання (прогиноміри).
Випробування проводилися з навантаженням до 0,6 МПа, відповідно до
ДСТУ Б.В.2.1-7-2000 «Ґрунти. Методи польового визначення характеристик
міцності та деформованості» [9]. Зведені результати польових випробувань
представлені у таблиці 3.1.
За отриманими результатами лабораторних тривісних випробувань модуль
деформації щебеню випробуваного за такої самої щільності, як і щільність
матеріалу у палі ущільнення, становить не нижче 103,57 МПа.
Виконані дослідження наочно показують, що щебеневий (робочий)
матеріал достатньо сильно ущільнюється в процесі пристрою паль-дрен.
Отримання високих деформаційних характеристик робочого матеріалу паль
призведе до значного збільшення загальних наведених деформаційних
характеристик ущільненої основи в цілому, так як і палі і ущільнений ґрунт і
навколо них будуть працювати спільно [24].
58
Таблиця 3.1. - Зведені результати польових випробувань ґрунтів
Глибина
Найменування Значення модуля Середнє значення
проведення досліду
ґрунту деформації Е, МПа модуля деформації
h, м
Е, МПа
7,0 120,5
7,0 106,92
7,0 Щебінь ґрунтової 104,3
140,52
7,0 палі 146,7
7,0 158,15
7,0 206,57
Також були виконані лабораторні випробування ґрунтів основи до та
після ущільнення. Реалізація методики розрахунку вимагає вказівки середніх
величин міцнісних та деформаційних характеристик у товщі, що ущільнюється.
Крім того, результати випробувань були розподілені на чотири рівні за
глибиною відбору: 6, 8, 10, 12 м. Це необхідно для оцінки ефективності
ущільнення на різних глибинах. При проведенні розрахунків ущільненої основи
вся товща замінюється одним шаром із наведеними характеристиками
(середніми по глибині).
В цілому можна стверджувати, що застосована технологія справила
позитивний вплив на властивості основи, що ущільнюється. Модуль деформації
ущільненої основи зростає в 1,18 – 3,46 рази. Також спостерігається значне
зростання характеристик міцності (в основному питомого зчеплення).
Виконані полігонні випробування на дослідному майданчику підтвердили
припущення про спільну роботу елементів штучної основи під штампом,
влаштованого за представленою технологією, а також коректність самих виразів
для визначення наведеного модуля деформації перетвореної основи (див.
формули в розділі 3.4).
59
Таблиця 3.2. - Порівняння теоретичних та експериментальних даних.
Модуль Модуль
№Н омер Модуль Модуль
Крок деформаці деформації
випробування деформації Діаметр деформації
ІГЕ колон, ї по експеримент-
п/ ґрунту, колони, м колони,
м формулі тальний,
п МПа МПа
(3.6), МПа МПа
1 01000мм, №1 5г 10 1,0 0,54 100 32,07 45,07
2 01000мм, №2 5г 10 1,0 0,54 100 32,07 42,88
3 01000мм, №3 5г 10 1,0 0,54 100 32,07 56,64
4 01000мм, №4 5г 10 1,0 0,54 100 32,07 44,09
5 01200мм, №5 5г 10 1,2 0,54 100 32,07 37,14
6 01200мм, №6 5г 10 1,2 0,54 100 32,07 38,87
7 01200мм, №7 5г 10 1,2 0,54 100 32,07 42,01
Висновки за розділом 3
1. Виготовлення палі з щебеневого заповнювача з дренажними властивостями в
шарі слабких зв’язних глинистих водонасичених ґрунтів методом примусового
вдавлювання щебеневого матеріалу в забій лідируючої свердловини є
ефективним, так як при цьому лідируюча свердловина розширюється до
заданого діаметру, а навколишній глинистий ґрунт ущільнюється та
зміцнюється. Виготовлений таким чином складовий ґрунтовий циліндр може
нести достатньо велике навантаження у складі пальово-плитного фундаменту
для будівель і споруд, у тому числі підвищеної відповідальності.
2. Як розрахункову для обґрунтування проектних рішень при визначенні
радіусу палі з щебеневого заповнювача та відстані між центрами паль, а також
технології виготовлення палі ефектним є використання розв'язання задач про
розширення порожнистого циліндра з водонасиченого ґрунту на основі
осесиметричної задачі консолідації в рамках плоскої деформації.
3. Використання попередньо ущільненого ґрунтового циліндра, що вміщує
щебеневу палю-дрену у складі пальово-плитного фундаменту також вимагає
кількісну оцінку напружено-деформованого стану системи «паля - навколишній
60
ґрунт - ростверк», у тому числі розподіл і перерозподіл навантаження від
ростверку між палею з щебеневого заповнювача та навколишнім ґрунтом з
врахуванням додаткової його консолідації (ущільнення) після попереднього
ущільнення ґрунту.
4. Розсіювання величини надлишкового порового тиску в навколишньому ґрунті
в період виготовлення палі з щебеневого заповнювача можна зменшити при
зниженні темпу виготовлення палі. Аналогічний результат спостерігається в
період навантаження комірки у складі плитного фундаменту при зниженні
темпу будівництва.
61
РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ ВЗАЄМОДІЇ ПАЛЬ З НАВКОЛИШНІМ І
ПІДСТИЛЮЮЧИМ ҐРУНТАМИ З УРАХУВАННЯМ ЇХ
ДЕФОРМАТИВНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТА ПАЛЬОВИМ РОСТВЕРКОМ
4.1. Основні положення дослідження
Буронабивні щебеневі палі в даний час широко
використовуються при армуванні товщі слабких водонасичених
ґрунтів і служать складовим елементом несучого стовпа у
вигляді товстостінного ґрунтового циліндра, що містить
щебеневу палю в пальовому підставі плитного фундаменту.
Перевага буронабивної палі полягає в тому, що вона
виготовляється методом глибинного ущільнення шляхом
примусового впровадження порції робочого матеріалу – щебню
в забій лідируючої свердловини, в результаті якого в
навколишньому ґрунті виникають значні радіальні та
тангенціальні напруги, які ущільнюють і консолідують ґрунти,
причому сама паля в цьому процесі ущільняється, зміцнюється і
служить дреном для видалення води з навколишнього ґрунту
[29, 37]. Об'ємна деформація, що виникла може бути визначена
як відношенням площ поперечного перерізу палі та ґрунтового
циліндра, тобто εν=Ас/Аг, за величиною якої можна визначити
модуль деформації за компресійною кривою слабкого ґрунту,
тобто Е=Δσ/Δε. Виготовлений таким способом складовий
ґрунтовий циліндр може нести кілька тисяч тон. Залежно від
діаметра палі та кроку палі можна домогтися заданих
параметрів осідання та несучої здатності осередку (паля –
навколишній ґрунт). Дослідження, які виконані науково-
освітнім центром "Геотехніка", на дослідному полігоні
будівництва об'єкта енергетики показують, що модуль
62
деформації слабкого ґрунту росте від 5-10 МПа до 15-25 МПа, а
модуль деформації палі з щебеневого заповнювача досягає до
80-100 МПа, причому наведений модуль системи (комірки
загалом) досягають до 40-50 МПа. Виготовлений таким чином
ґрунтовий циліндр (комірка) у складі пальово-плитного
фундаменту може нести значні навантаження та осідати на
обмежену величину (див. розділ 5). У цьому розділі
розглядаються постановка та вирішення завдань щодо
кількісної оцінки НДС одиночної палі з щебеневого
заповнювача, що взаємодіє з навколишнім і підстилаючим
ґрунтами, необхідні для визначення її основних параметрів –
осідання та несучої здатності залежно від фізико-механічних
властивостей ґрунтів, у тому числі нелінійних та реологічних
властивостей [22]. Також розглядаються завдання щодо
кількісної оцінки НДС палі з щебеневого заповнювача, яка
взаємодіє з навколишнім і підстилаючим ґрунтами та
ростверком (плитою) з такими ж властивостями ґрунтів, що
значно складніше. Завдання вирішені аналітичним шляхом, але
не доведені до замкнутого виду, тобто. до простих формул. Для
аналізу складних рішень потрібно використання програмного
комплексу MathCAD. Це стосується побудови кривих
параметрів НДС розглянутої задачі, у тому числі компонентів
напруги, деформацій та змінної в координатах у часі (σij(x, y, z,
t), εij(x, y, z, t), u, v,w, (x, y, z, t).
У першій частині цього розділу розглядаються рішення задач
для одиночної палі з навколишнім ґрунтом та ростверком.
63
4.2. Аналіз взаємодії одиночної палі з навколишнім та
підстилаючим ґрунтом
Мал. 4.1. - Розрахункова схема одиночної нестискаємої палі з урахуванням
пружних і пружно-пластичних властивостей навколишнього та підстилаючого
ґрунтів
Рішення у лінійній постановці
З розрахункової схеми (мал. 4.1) слідує, що має місце рівновага N=R+T, тобто.
σN=2 τa∙( l/a) +σR, (4.1)
де τa=T/2πal,τ(r)= τa (a/r) (4.2)
Занурення палі в ґрунтову товщу (циліндр) можна визначити через кутову
деформацію навколишнього ґрунту
, (4.3)
Де γ(r) при лінійній постановці має вигляд:
(4.4)
Осідання палі за рахунок продавлювання нижнього шару можна визначити за
відомою [10] формулою про круглий жорсткий штамп, прикладеної на глибині l
від поверхні, тобто маємо
(4.5 )
де Kl - коефіцієнт, що враховує глибину нижнього кінця палі l.
Інтегруючи (4.3) у межах від «a» до «l» отримаємо максимальне осідання ґрунту
при r = a і палі, тобто.
(4.6)
Порівнюючи (4.6) та (4.5) з урахуванням умови рівноваги (4.1) отримуємо
64
Для визначення осідання палі достатньо (4.5) значення σR із (4.7), тобто
отримуємо
Звідси випливає, що зі зростанням G2 осідання палі зменшується, σR →σN, A
→1. За величиною σR можна визначити ступінь його наближення та граничної
несучої можливості, тобто σR → σR*. Для цього можна у першому наближенні
визначити ступінь наближення до початкового критичного навантаження, тобто
слід скористатися формулою визначення початкового критичного навантаження
на основу під розподіленим навантаженням «p» за площею кола [36]
де φ2, с2,ν2 – параметри підстилаючого шару ґрунту.
Вираз (4.10) отримано за умови виникнення граничної рівноваги на контурі
кола r =a.
Зазначимо, що вираз (4.10) відрізняється від формули Пузиревського для
визначення початкового критичного навантаження ґрунтової основи під
впливом розподіленого навантаження по смузі завширшки b =2а (плоске
завдання).
Рішення в пружно-пластичній постановці
У цьому випадку як розрахункова для опису залежності γ(r) (4.4) розглядається
пружно-пластична модель зсуву, яка для ґрунтового середовища записується у
вигляді [21]:
де τі, τі* - діюче та граничне значення інтенсивності дотичних напруги; γі–
інтенсивність кутової деформації; G - модуль пружного зсуву.
У разі простого зсуву (перекошування) (4.11) набуває вигляду
При τ*→∞ (4.12) прагне до пружної моделі виду
γ=τ/G (4.13)
Вважаючи, що в ґрунті, який навколо палі, зсувні деформації описуються
рівнянням (4.12), можемо визначити переміщення ґрунту навколо палі на
65
підставі (4.3) підставляючи замість γ вираз (4.12), в якому τ=τа а/r, тобто
отримуємо
З урахуванням граничної умови S(r) = 0 при r = b отримуємо максимальне
переміщення ґрунту при r = а, що відповідає осіданню палі без урахування
прослизання
Що стосується пружних властивостей навколишніх ґрунтів, тобто. τ*→∞,
отримуємо:
Прирівнюючи (4.5) та (4.15) отримуємо
Підставляючи це значення σR в (4.1) отримуємо трансцендентне рівняння σN(τa)
представлені на мал. 4.2 та 4.3 у вигляді графіків σN-τa та SR-σR .
66
Мал. 4.2. – Залежність σN- Мал. 4.3. – Залежність SR-σR
τa по (4.18) по (4.21)
4.3. Аналіз та дослідження взаємодії палі з щебеневого заповнювача з
навколишнім та підстилаючим ґрунтами та ростверком з урахуванням
деформативних властивостей ґрунтів
У цьому розділі взаємодія палі з щебеневого заповнювача розглядається
одночасно з навколишнім і підстилаючим ґрунтами і ростверком у складі
пальово-плитного фундаменту, що передбачає вільні переміщення ґрунтового
циліндра по зовнішньому контуру тільки вниз, а також умова компресійного
стиснення палі і навколишнього ґрунту та товстостінного циліндра. Крім того в
залежності від співвідношення жорсткостей навколишнього та підстилаючого
ґрунтів G1/G2 паля буде працювати за схемою «паля стійка» коли G2>>G1 і за
схемою «висяча паля» при G2>G1. Змінюється також вид кривих τ(r) і s(r) за
схемою висяча, що відбивається також на граничних умовах. Розрахункові
схеми цих випадків представлені на малюнку 4.4.
67
Мал. 4.4. - Розрахункова схема взаємодії буронабивної палі з навколишнім
ґрунтом і ростверком у складі пальово-плитного фундаменту за схемою «висяча
паля» (а) та за схемою «паля-стійка» (б). На малюнку: 1 – паля; 2 – ростверк; 3 –
ущільнений шар; 4 - підстилаючий щільний ґрунт.
Далі наводяться постановка та вирішення завдань про взаємодію з урахуванням
пружних, нелінійних та реологічних властивостей ґрунтів під впливом
статичних та вібраційних впливів на ростверк.
Розв'язання задачі у лінійній постановці за схемою «паля - стійка». Статичний
вплив
Відомо [30], що в найпростішому випадку статичного впливу на ростверк
рівномірно розподіленим навантаженням інтенсивністю p = const вона
розподіляється і перерозподіляється в часі між палею і навколишнім ґрунтом. У
припущенні компресійного стиснення палі та навколишнього ґрунту при
лінійній залежності ε - σ мають місце наступні умови.
Умова рівноваги
p = pcω+рг(1-ω), (4.22)
де ω = а2 /b2, а і b - радіуси палі та ґрунтового циліндра.
Умова рівності осідань
Sp=Sc=Sг, (4.23)
або
mcpc = mгрг = mppp, (4.24)
що призводить до виразів
68
де mс і mг - коефіцієнт відносної стисливості палі та ґрунту відповідно, причому
(mk=1/Ek).
При цьому наведений модуль деформації комірки загалом має вигляд
Епр = Ес ω+ Ег (1 - ω) (4.26)
Вочевидь, що з обліку пружно-в'язких властивостей палі та навколишнього
ґрунту ця залежність істотно зміниться, причому осідання палі і ростверку
розвиватимуться у часі.
Врахування пружно-в'язких властивостей за моделлю Кельвіна-Фойгта
Відомо, що в цьому випадку залежність ε(t) – σ в найпростішому випадку
одновимірної задачі записується у вигляді
р = εЕ + έη (4.27)
Облік змінності модуля деформації та в'язкості у часі в цій моделі (мал. 4.5)
призводить до важливих для науки та практики результатів.
Мал. 4.5. - Розрахункова модель взаємодії палі з щебеневого заповнювача та
навколишнього ґрунту, які ущільнюються в умовах компресії відповідно до
моделі Кельвіна- Фойгта
Цей важливий результат дозволяє вирішити задачу взаємодії палі з
навколишнім ґрунтом і ростверком, як при статичному, так і динамічному
впливі, у тому числі коливання системи неоднорідної основи, що розглядається,
вміщаюче палю. Для цього достатньо мати розв'язання відповідної задачі для
однорідної основи (без паль). Замінюючи в цій задачі Е на Епр і ɲ на ɲпр
отримаємо розв'язання задачі про коливання фундаменту на неоднорідній
палевій основі.
69
4.4.Дослідження взаємодії фільтруючої та нефільтруючої палі з
водонасиченим глинистим ґрунтом та ростверком у пальово-плитному
фундаменті
Відомо, що щебеневі буронабивні палі часто застосовуються при
будівництві на слабких водонасичених зв’язних глинистих ґрунтах, які в
процесі виготовлення палі служать фільтруючим елементом, а в період зведення
фундаментної плити та її навантаження служать як фільтруючим, так і несучим
елементом у складі ґрунто-пальової основи. Виготовлення щебеневих
буронабивних паль за допомогою застосування технології (шнекова,
пальовдавлювальна установка та ін.) супроводжуються розширенням діаметра
провідної свердловини та продавлюванням у ній робочого матеріалу (щебінь,
пісок та ін.). Внаслідок цього на стінки діаметра, що розширюється, лідируючлї
свердловини виникають значні стискаючі радіальні напруги, які ущільнюють
глинистий ґрунт, причому порова вода видавлюється в бік дренуючої палі і
вгору до піщаного шару на поверхні ґрунту.
Слід зазначити, що такий спосіб виготовлення щебеневої або піщано-щебеневої
буронабивної палі призводить до суттєвих змін фізико-механічних властивостей
слабкого глинистого ґрунту, причому зростає щільність ґрунту та знижується
водовміст ґрунту. Це призводить до суттєвого зростання показників
деформованості (Е, ν) та міцності (, с) палі з щебеневого заповнювача та
навколишнього ґрунту. Дослідження, проведені на дослідному майданчику
будівництва об'єкта енергетики за участю співробітників науково-освітнього
центру «Геотехніка», показують, що модуль деформованості слабкого ґрунту
зростає з 5-10 МПа до 15-20 МПа, а модуль деформації щебеневої пресованої у
вибої провідної свердловини досягає до 80-100МПа . Крім того завдяки
частковому проникненню глинистого ґрунту в пори палі з щебеневого
заповнювача вона набуває зчеплення, що також підвищує її здатність, що несе.
Дослідження показують також, що наведений модуль деформації системи «паля
- навколишній циліндр ґрунту» досягає до 40 МПа і що такий стовп може нести
70
суттєві навантаження, у тому числі від будівель і споруд підвищеної
відповідальності.
При дії на ростверк навантаження від споруди в осередку виникає складне
НДС, обумовлене з одного боку розподілом навантаження від ростверку між
палею і навколишнім ґрунтом і з іншого консолідаційним процесом в
навколишньому ґрунті, у тому числі при фільтрувальній палі - осесиметрична
тривимірна і при нефільтрувальній - одно мірна консолідація. Розглянемо
розв'язання цих завдань окремо.
Мал. 4.6. - Розрахункова схема взаємодії буронабивної палі з навколишнім
ґрунтом і ростверком у складі пальово-плитного фундаменту за схемою «висяча
паля» (а) та за схемою «паля-стійка» (б). На малюнку: 1-паля; 2-ростверк; 3-
ущільнений шар; 4-підстилаючий щільний ґрунт.
4.4.1. Випадок фільтруючої палі
Приймемо в першому наближенні, що осідання палі-дрени та навколишнього
глинистого ґрунту відбуваються в умовах компресії, і що їх взаємним впливом
можна знехтувати. Розглянемо насамперед НДС палі за розрахунковою схемою
«паля стійка» (мал. 4.6 б). Як розрахункову для колони приймемо лінійну
модель з модулем деформації Е або коефіцієнтом відносної стисливості m=β/Е.
Виготовлення палі з щебеневого заповнювача з дренажними
властивостями в шарі слабких зв’язних глинистих водонасичених ґрунтів
71
методом примусового вдавлювання щебеневого матеріалу в забій лідируючої
свердловини є ефективним, так як при цьому лідируюча свердловина
розширюється до заданого діаметра, а навколишній глинистий ґрунт
ущільнюється та зміцнюється. Виготовлений таким чином складовий ґрунтовий
циліндр може нести достатньо велике навантаження у складі пальово-плитного
фундаменту для будівель та споруд, у тому числі підвищеної відповідальності.
Як розрахункову для обґрунтування проектних рішень при визначенні радіусу
палі з щебеневого заповнювача та відстані між центрами паль, а також
технології виготовлення палі ефектним є використання рішення задач про
розширення порожнистого циліндра із водонасиченого ґрунту на основі
осесиметричної задачі консолідації в рамках плоскої деформації.
Використання попередньо ущільненого ґрунтового циліндра, що вміщує палю з
щебеневогоо заповнювача з дренажними властивостями у складі пальово-
плитного фундаменту також вимагає кількісну оцінку НДС системи «паля -
навколишній ґрунт - ростверк», у тому числі розподіл і перерозподіл
навантаження від ростверку між палею з щебеневого заповнювача та
навколишнім ґрунтом з урахуванням його консолідації (ущільнення) після
попереднього ущільнення ґрунту.
Розсіювання величини надлишкового порового тиску в навколишньому ґрунті в
період виготовлення палі з щебеневого заповнювача можна зменшити при
зниженні темпу виготовлення палі. Аналогічний результат спостерігається в
період навантаження комірки у складі плитного фундаменту при зниженні
темпу будівництва будівлі чи споруди.
4.4.2.Дослідження взаємодії палі з щебеневого заповнювача, що не
фільтрує, з навколишнім консолідуючим ґрунтом
В цьому випадку радіальна фільтрація відсутня, але в поздовжньому
напрямку має місце у бік пластового дренажу. Тоді осідання водонасиченого
72
шару ґрунту заввишки h = const при постійному навантаженні р = const можна
визначити на основі розв'язання одновимірної задачі консолідації [24, 28].
Використання технології ущільнення слабких водонасичених зв’язних
глинистих ґрунтів методом примусового вдавлювання щебню в забій
лідирувальної свердловини є ефективним. Лідируюча свердловина
розширюється, при цьому навколишній глинистий ґрунт і паля з щебеневого
заповнювача ущільнюються і зміцнюються. В результаті утворюється ґрунтовий
циліндр (осередок) із палею з щебеневого заповнювача в його центрі, що є
несучим стовпом у складі пальово-плитного фундаменту, який може нести
значні навантаження у складі пальово-плитного фундаменту від будівель та
споруд підвищеної відповідальності.
У процесі виготовлення несучого стовпа паля з щебеневого заповнювача
служить дреною при осесиметричній консолідації слабкого ґрунту. Величину
екстремального значення надлишкового порового тиску в глинистому ґрунті,
що ущільнюється, можна регулювати шляхом швидкості розширення
лідируючої свердловини, до мінімального значення.
У процесі ущільнення глинистого ґрунту та розширення провідної
свердловини відбувається взаємне проникнення щебню та глинистого ґрунту.
Це може призвести до кольматації порового простору щебню та втрати
фільтруючої здатності палі з щебеневого заповнювача. Водночас це сприяє
ущільненню та зміцненню палі з щебеневого заповнювача.
Під впливом навантаження від ростверку в несучому стовпі виникає
складне і неоднорідне НДС, обумовлене розподілом і перерозподілом цього
навантаження між палею і навколишнім консолідируючим ґрунтом у часі до
повної стабілізації осідання ростверку (плити).
Час стабілізації НДС системи «паля – навколишній глинистий ґрунт –
ростверк» залежить від висоти консолідуючого слабкого шару та його
коефіцієнта консолідації.
73
4.5. Аналіз вібрації та коливання фундаментів на перетвореній однорідній
та неоднорідній основі
При імпульсному та вібраційному впливах на ростверк, що спирається на
щебеневі палі і навколишній його ґрунт виникає коливання або вібрація цієї
системи [16, 27].
Мал. 4.7. - Вимушені коливання системи «ростверк – основа» без обліку (1) та з
урахуванням (2) впливу палі.
Видно, що характер коливань ростверку на однорідній (без паль) (1) та
неоднорідній пальовій (2) основах суттєво відрізняються, причому в останньому
випадку має місце аперіодичне коливання.
Зазначимо, що рішення також можна отримати безпосередньо за допомогою
програмного комплексу MathCAD Це було зроблено за тих же параметрів, що і
мал. 4.7.
Мал. 4.8. – Залежність коефіцієнта динамічності ɲ*z від відношення ω/ λz для
однорідної (1) та неоднорідної пальової (2) основи.
74
Мал. 4.9. – Вільні коливання ростверку на однорідній (1) та неоднорідній
пальовій (2) основі при імпульсному впливі
При взаємодії палі з щебеневого заповнювача з навколишнім ущільненим
ґрунтом виникає складне, неоднорідне НДС у системі «паля – навколишній
ґрунт – ростверк» (осередок). Чинне навантаження на ростверк розподіляється і
перерозподіляється в часі між палею і навколишнім ґрунтом відповідно до їх
жорсткості та в'язкості. Розв'язання задачі взаємодії палі з навколишнім ґрунтом
та ростверком в умовах компресійного стиску за схемою «паля стійка» при
статичному та змінному впливу на ростверк дозволяє визначити наведені
параметри деформованості та в'язкості осередку в цілому (Eпр і ɲпр). Вони
значною мірою спрощують вирішення статичних та динамічних завдань при
проектуванні плитних фундаментів на пальовій основі [19,35].
Виконані аналізи чисельних розрахунків за допомогою програмного
комплексу MathCAD показали суттєву відмінність вільних та вимушених
коливань ростверку на однорідній і неоднорідній пальовій основі і також на
коефіцієнт динамічності основи.
Підбираючи параметри складових частин комірки, зокрема деформаційні
та геометричні, можна виконати варіантний аналіз та вибрати оптимальний
склад і розмір комірки.
Висновки за розділом 4
Проаналізована взаємодія палі з щебеневого заповнювача з навколишнім і
підстилюючим ґрунтами, а також ростверком з обліком лінійних, нелінійних і
реологічних властивостей ґрунтів. Це дає можливість обрати оптимальний
варіант.
75
РОЗДІЛ 5. ОБГРУНТУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТІ ТА
ЕФЕКТИВНОСТІ ДОСЛІДЖЕНЬ
5.1. Огляд проаналізованих об’єктів
У цьому розділі наводяться огляд проаналізованих об'єктів, у тому числі:
«Багатофункціональний житловий комплекс», «Багатоповерховий житловий
будинок із вбудованими приміщеннями громадського призначення» (II етап
будівництва – корпус № 14, секції № 2, 3, 4)», «Будівництво Центральної
кільцевої автомобільної дороги. Пусковий комплекс (етап будівництва) №3»,
«Житлова забудова з об'єктами соціальної та комерційної інфраструктури,
«Група багатоквартирних житлових будинків із вбудованими нежитловими
приміщеннями.
Особливу увагу приділено застосуванню досліджень на енергетичному
об'єкті, для якого виконано дослідження та розрахунки основ важкої споруди на
перетвореній основі.
Після підбору геометричних та технологічних параметрів для проекту
ущільнення слабкої основи ґрунтовими палями необхідно було виконати
перевірку отриманих результатів досліджень. В НОЦ «Геотехніка» були
виконані чисельні розрахунки та реальні полігонні випробування
нестандартним штампом з діаметром, що дорівнює розміру розрахункової
комірки перетвореної основи. Розрахункова комірка перетвореної основи
складається зі палі ущільнення та ущільненого ґрунту навколо нього діаметром,
рівним кроку між осями паль, і відповідає роботі під навантаженням усієї
основи, будучи його типовою структурною одиницею (при рівномірному
завантаженні основи). У разі нерівномірного завантаження основи необхідно
проводити розрахунки комірки при різних навантаженнях на них.
Чисельне моделювання проводилося з допомогою спеціалізованого
розрахункового комплексу на вирішення геотехнічних завдань Рlaxis 2D і Рlaxis
3D, реалізує методи кінцевих елементів, кінцевих різниць, граничних елементів
76
та інших, має сертифікат відповідності результатів розрахунку актуальним
нормативним документам.
Метою чисельного моделювання було визначення компонент напружено-
деформованого стану комірки - напруг у палях ущільнення та навколишнього
ущільненого ґрунту та переміщень перетвореної основи.
Для попередньої перевірки правильності підібраних характеристик паль
ущільнення (проектного модуля деформації ґрунтової палі), виконувався
розрахунок в осесиметричній постановці, так як розрахункова комірка
ущільненої основи має кругову симетрію щодо центральної осі, або вирішувати
задачу в просторовій постановці. Для остаточного розрахунку ущільненої
основи виконувався тривимірний кінцево-елементний розрахунок, що включає
весь майданчик ущільнення або його представницьку частину (при великих
розмірах майданчика).
5.2. Визначення напружено-деформованого складу комірки штучної основи
В осесиметричній задачі розглянуто половину розрахункової комірки
щодо центральної осі. Для перевірки правильності підбору наведених
механічних характеристик вирішується дві задачі:
1) Визначення НДС комірки, що складається зі палі ущільнення, ґрунту навколо
неї, частини фундаменту (або випробувального штампу) із навантаженням.
Навколишньому ґрунту задавалися параметри, що відповідають його
ущільненому стану відповідно до наведених вище результатів випробувань.
Матеріалу палі задаються деформаційні параметри, що відповідають необхідній
величині для досягнення наведеного модуля деформації ущільненої основи в
цілому. Визначається величина вертикальних переміщень розрахункової
комірки під навантаженням, а також розподілу напруг між палею ущільнення і
навколишнім ґрунтом. Загальний вид розрахункової схеми та вертикальних
переміщень масиву ґрунту представлений на мал. 5.1.
77
а) б)
Мал. 5.1. - Результати визначення вертикальних переміщень розрахункової
комірки перетвореної основи під навантаженням. Розрахункова схема (а) та
ізополя вертикальних переміщень масиву ґрунту складового розрахункової
комірки (б)
2) Визначення НДС комірки, що складається з масиву ґрунту з наведеними
деформаційними характеристиками, визначеними за алгоритмом,
запропонованим раніше, ґрунтової основи під ним, частини фундаменту або
випробувального штампу та навантаження на нього. Визначається величина
вертикальних переміщень. Загальний вид розрахункової схеми та вертикальних
переміщень масиву ґрунту представлений на мал. 5.2.
а) б)
Мал. 5.2. - Результат визначення вертикальних переміщень розрахункової
комірки з наведеними характеристиками перетвореної основи під
навантаженням. Розрахункова схема (а) та ізополя вертикальних переміщень
масиву ґрунту комірки з наведеними характеристиками (б)
3) Проводиться порівняння вертикальних переміщень (осідань) складеної
комірки та розрахункової комірки з наведеними характеристиками. Якщо за
двома проведеними розрахунками різниця осідань становить не більше 15%,
можна вважати, що підібрані наведені параметри деформованості основи
відповідають параметрам складової основи.
78
5.3. Послідовність обчислення при визначенні компонентів напружено-
деформованого стану комірки чисельним методом
Спочатку вибираються розміри розрахункової області, що включає палю
ущільнення, навколишній масив ґрунту та частину конструкції, через яку
передається навантаження на комірку (фундаментна плита, випробувальний
штамп). У разі вирішення осесиметричної задачі, ширина розрахункової зони
приймається розміром у половину розрахункової комірки, оскільки
моделюється половина моделі щодо кругової осі симетрії. Схема комірки в
осесиметричній постановки та реалізація в кінцево-елементній моделі
представлена на мал. 5.3.
Мал. 5.3. - Розрахункова схема комірки в осесиметричній постановці; зліва
схема, справа - звичайно-елементна модель
У разі моделювання в тривимірній постановці задаються шириною
розміром розрахункової комірки, що дорівнює відстані між осями паль
ущільнення з щебеневого заповнювача. Схема розрахункової комірки у
79
тривимірній постановці та реалізація у кінцево-елементній програмі
представлена на мал. 5.4.
Довжина розрахункової схеми в обох випадках встановлюється рівною
довжині палі ущільнення і частини масиву ґрунту, що підстилає, на глибину, що
дорівнює трьом діаметрам палі ущільнення після її розширення.
Мал. 5.4. - Розрахункова схема комірки в тривимірній постановці; ліворуч -
схема, справа – звичайно-елементна модель
1. Товщина ґрунту під підошвою палі прийнята, відповідно до моделі, прийнятої
виходячи із загальних міркувань про можливий розмір зони впливу, що
поширюється від нижньої поверхні палі вглиб ґрунту, що підстилає. Однак,
точне завдання глибини зони впливу необов'язкове, оскільки метою чисельного
кінцево-елементного розрахунку є не визначення кінцевих величин осідань
розрахункових осередків (штучної та з наведеними властивостями), а саме їх
порівняння з метою встановлення правильності підбору наведених механічних
характеристик ґрунтів.
2. Визначалися фізико-механічні властивості матеріалу ґрунтової палі після
ущільнення, що оточують ущільнені та підстилаючі ґрунти. Залежно від обраної
механічної моделі ґрунту і звичайної - елементної програми, кількість цих
характеристик може бути різною. Базовий набір фізико-механічних
характеристик палі ущільнення та навколишніх ґрунтів для пружно-
80
пластичного розрахунку включає: питому вагу ґрунту в природному та
водонасиченому стані (γunsat і γsat, кН/м3, коефіцієнт пористості е, модуль
деформації Е, кПа, коефіцієнт Пуассона ν, безрозмірний, питоме зчеплення с,
кПа та кут внутрішнього тертя °.
Базові фізико-механічні характеристики приймаються виходячи з результатів
польових випробувань на дослідному майданчику будівництва або за
попередніми значеннями з таблиць СП та результатів інженерно-геологічних
вишукувань.
3. Між палею ущільнення та навколишнім ґрунтом влаштовується інтерфейсна
поверхня, що дозволяє моделювати взаємодію сильно різнорідних за
властивостями матеріалів (мал. 5.5). Знижувальні міцність ґрунтів на межі
взаємодії «ґрунт-паль» коефіцієнти не вводяться, оскільки при влаштуванні
паль ущільнення має місце щільне прилягання матеріалу палі та навколишнього
ґрунту.
Мал. 5.5. - Вид розрахункової схеми комірки в осесиметричній постановці
(інтерфейсні елементи не в масштабі)
На мал. 5.6 представлений вид інтерфейсних елементів у разі розгляду
задачі про розрахунок НДС комірки в тривимірному середовищі (бічна
інтерфейсна поверхня представлена у вигляді циліндричної поверхні, під
нижнім кінцем колони - у вигляді кола).
4. Встановлюються граничні умови розрахункової моделі.
На вертикальній межі моделі визначається можливість вільного переміщення
масиву ґрунту по вертикалі (осідання) і неможливість переміщення по
горизонталі. На горизонтальній межі (низ моделі) встановлюється повна
відсутність переміщень.
81
Мал. 5.6. - Вигляд інтерфейсних елементів у Мал. 5.7. - Тривимірна модель комірки
середовищі розрахункової програми у перетвореної основи
тривимірній постановці (інтерфейсні елементи
не в масштабі)
5. Прикладаються проектні навантаження та визначаються всі компоненти
напружено-деформованого стану всередині розрахункової моделі.
Вид ізополів вертикальних переміщень у разі тривимірного завдання
представлено на мал. 5.1 та 5.2.
Мал. 5.8. - Ізополя вертикальних переміщень в комірці після застосування
проектного навантаження на комірку перетвореного палями основи
(вісесиметричне завдання).
82
Мал. 5.9. - Ізополя вертикальних напруг в комірці після застосування
проектного навантаження на комірку перетвореного палями основи
(вісесиметричне завдання)
Мал. 5.10. - Ізополя вертикальних напруг в комірці після застосування
проектного навантаження на комірку перетвореного палями основи
6. Здійснюється додатковий розрахунок з масиву ґрунту з наведеними
деформаційними характеристиками перетвореного масиву, тобто. замість
штучної основи, що складається зі палі ущільнення та навколишнього ґрунту
приймається однорідний масив ґрунту, з наведеними характеристиками, що
визначаються за раніше представленими залежностями у розділі 3 цієї роботи.
7. Проводиться порівняння осідань комірки без урахування та з урахуванням
наведених параметрів. При збігу результатів з допустимим відхиленням до 15%
83
можна вважати, що параметри наведеного ущільненого масиву ґрунту задані
правильно і з достатньою точністю (мал.. 5.1 і 5.2).
5.4. Просторова задача відносно аналізу напружено-деформованого стану
перетвореної основи під навантаженнями проектованої споруди для
посилення основ фундаментів
Розрахунок у просторовій постановці проводився з метою визначення
елементів напружено-деформованого стану з урахуванням зміни проектованої
споруди, будівельного майданчика, розташування паль ущільнення в плані,
нерівномірності залягання ґрунтів основи.
Розрахунок у просторовій постановці дозволяє оцінити правильність
прийнятих проектних рішень щодо посилення основи споруди та отримати
повний обсяг ізополів напруг і переміщень у ній під впливом навантажень від
будівель та споруд, що будуються. За результатами розрахунків можна зробити
висновок про допустимість отриманих переміщень основи і напруг у його
елементах (зокрема у палях ущільнення). Приклад просторової схеми та
результатів розрахунку представлено на мал. 5.14…5.18.
Розміри розрахункової моделі приймалися з прийнятих рекомендацій,
поданих у чинних нормативних документах. Зону впливу на всі боки від
котловану допускається приймати величиною не менше трьох його глибин.
Глибина товщини, що стискається, що задається під підошвою паль ущільнення,
визначалася стандартними методами як для умовного фундаменту з відміткою
підошви на рівні низу ґрунтових паль. На межі «паля ущільнення - навколишній
ґрунт» задавалася інтерфейсна поверхня для опису взаємодії матеріалів з різкою
відмінністю фізико-механічних властивостей.
За наявності у проектованої будівлі або споруди симетрії, просторова
модель може бути представлена лише половиною або чвертю залежно від типу
симетрії. На мал. 5.11 представлена кінцево-елементна модель у вигляді чверті
фундаменту споруди, що проектується. Така модель повністю описує його
напружено-деформований стан. Враховуючи велику кількість кінцевих
84
елементів у просторових моделях і, у зв'язку з цим, тривалий час розрахунку
таких моделей, рекомендується враховувати симетрію будівель та споруд та
моделювати лише їхню представницьку частину (по осі симетрії), але лише за
відсутності сильних відмінностей в інженерно-геологічних умовах різних
частин будівель та різко різнонавантажених частин споруд. В іншому випадку
рекомендується моделювати будівлі та споруди повністю, враховуючи всі
вищезгадані відмінності симетричних частин об'єкта.
Загальна послідовність просторового розрахунку складалась з наступних
етапів:
1. Визначення розмірів розрахункової області, як у плані, та і по глибині.
Розміри в плані задаються у вигляді габаритних розмірів моделі у відповідному
діалоговому меню програми.
Мал. 5.11. - Діалогове вікно для завдання інженерно-геологічних та
гідрогеологічних умов моделі
2. Завдання інженерно-геологічних умов майданчика будівництва відповідно до
наявних результатів інженерно-геологічних вишукувань.
Завдання фізико-механічних властивостей ІГЕ, виділеним у процесі
досліджень і включеним у модель. Залежно від вибраної механічної моделі
основи програмного комплексу набори цих параметрів можуть відрізнятися.
Однак базові параметри для опису пружно-пластичних властивостей ґрунтів є у
всіх спеціалізованих програмах. Базовий набір параметрів розрахунку раніше
представлений. Розмір по глибині задається відповідно до інформації про
інженерно-геологічні дослідження на майданчику будівництва та обмежений
85
товщиною, що стискається, визначеної стандартними методами чинних
нормативних документів (мал. 5.11).
3. Завдання граничних умов просторової моделі. У більшості випадків досить
стандартних граничних умов: відсутність горизонтальних переміщень на бічних
поверхнях моделі та повна відсутність переміщень на нижній межі моделі. Деякі
програми потребують ручного завдання подібних умов, проте частину з них
виконують це автоматично при завданні розмірів моделі на початку процесу
складання проекту.
4. Завдання етапів моделювання відповідно до проекту виконання робіт на
майданчику будівництва. Стандартними етапами є такі: визначення вихідного
(природного) напруженого стану ґрунтової основи; будову котловану; будову
паль ущільнення в товщі ґрунтів; моделювання пристрою необхідних за
проектом насипів, фундаментних конструкцій, умов взаємодії верху паль
ущільнення з ними; моделювання несучих конструкцій проектованої споруди,
що враховує її жорсткість (опціонально); прикладання проектних навантажень
на перетворену ґрунтовими палями основу через фундаментні конструкції.
5. Побудова результуючих ізополів та ізоліній напруг та переміщень на
основі, побудова епюр зусиль та напруг у тілі паль ущільнення.
Головними результатами розрахунку є одержувані основою споруди
вертикальні переміщення (осідання) і розподіл напруги в основі між палями
ущільнення і навколишнім ґрунтом. Отримані результати подано на мал. 5.15-
5.18. Отримані величини переміщень порівнюються з гранично допустимими
для типу споруди відповідно до чинних нормативних документів. За відсутності
в чинних нормативних документах значень граничних деформацій основи для
спорудження, що проектується, отримані значення порівнюються з
затвердженими спеціальними технічними умовами для проекту.
86
Мал. 5.12. - Моделювання уривки котловану Мал. 5.13. - Моделювання стадії пристрою
(готові до відкопки шари показані контуром, плити та навантаження паль (візуалізація
показано також майбутнє розташування паль об'єму ущільненого міжпальового масиву
ущільнення) ґрунту умовно відключена для кращого
відображення паль)
У разі кінцево-елементного моделювання об'єктів з дуже великою
кількістю паль ущільнення можуть виникнути технічні проблеми в процесі
розрахунку в деяких програмах. Це зв’язано з технічними можливостями
використовуваних розрахункових станцій і програмними обмеженнями самих
кінцево-елементних продуктів. У таких випадках для розрахунків
рекомендується застосовувати наведений об'ємний масив, що включає палі
ущільнення і навколишній ґрунт, що ущільнюється. Методику визначення його
наведених властивостей описано раніше. Приклад результатів розрахунку
моделі з використанням наведеного масиву ґрунту наведено на мал. 5.17 та 5.18.
При використанні в моделюванні наведеного масиву ґрунту
рекомендується контролювати порівняння представницької частини
ущільнюваного поля (достатнім рекомендується прийняти розмір моделі, що
включає п'ять колон в обох напрямках в плані), змодельованого у вигляді
штучної основи і наведеного масиву. При коректному підборі наведених
характеристик одержувані осідання не повинні відрізнятися більш ніж на 15%
(осідання основи з наведеним масивом повинна завжди бути більшою за
осідання штучної основи).
87
Мал. 5.14. - Загальний вигляд просторової розрахункової схеми для визначення
осідання перетвореного масиву ґрунту палями ущільнення.
Мал. 5.15. - Ізополя вертикальних переміщень перетвореного масиву під
навантаженням, мм
Мал. 5.16. - Ізополя вертикальних напруг у масиві перетвореного ґрунту, кПа
Для перевірки отриманих наведених проектних характеристик ґрунтових
паль та навколишнього ущільненого ґрунту рекомендується додатково провести
88
тривимірний розрахунок напружено-деформованого стану основи з наведеними
характеристиками міцності та деформованості при проектних навантаженнях.
Мал. 5.17. - Вид кінцево-елементної моделі для визначення напружено-
деформованого стану перетвореної основи з наведеними деформаційними та
міцнісними характеристиками
Мал. 5.18. - Ізополя вертикальних переміщень перетвореного наведеного масиву
ґрунту під навантаженням, мм
Висновки за розділом 5
Визначено ефективність та результативність прийнятих рішень. Проаналізовано
Просторова задача відносно аналізу напружено-деформованого стану
перетвореної основи під навантаженнями проектованої споруди для посилення
основ фундаментів
Проаналізовані кінцево-елементні моделі та отримані ізополя напружено-
деформованого стану дають можливість посилити основи фундаментів щодо
використання паль з щебеневого заповнювача та наочно дають представлення
та можливість вибору оптимального варіанту.
89
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
• Проведено узагальнення сучасного досвіду проєктування і зведення
будівель та споруд на слабких водонасичених зв’язних глинистих
основах, підсилених буронабивними щебенево-піщаними палями-
дренами.
• Встановлено, що осідання таких основ і несуча здатність палі-дрени
належать до ключових параметрів, які потребують експериментального та
розрахунково-теоретичного обґрунтування з використанням сучасних
методів.
• Економічну доцільність застосування буронабивних ґрунтових паль у
поєднанні з глибинним ущільненням слабких ґрунтів підтверджено
порівнянням з альтернативним проєктним рішенням, що передбачає повне
вилучення слабкого ґрунтового шару і його заміну ґрунтом з
покращеними характеристиками. Досвід будівництва атомних
електростанцій свідчить, що різниця у вартості таких рішень досить
суттва.
• Показано, що виконання розрахунків напружено-деформованого стану
системи «паля-дрена – навколишній і підстильний ґрунти – ростверк
(плита)» аналітичними та чисельними методами (МКЕ) із використанням
наведених параметрів деформування і в’язкості є ефективним при
проєктуванні пальово-плитних фундаментів з великою кількістю паль з
урахуванням лінійних, нелінійних і реологічних властивостей ґрунтів.
• Визначено, що основними чинниками, які формують напружено-
деформований стан комірки, є діаметр, крок і довжина палі-дрени
(колони), її деформаційні та міцнісні характеристики, а також фізико-
механічні властивості навколишнього й підстильного ґрунтів.
• Як розрахункову модель для кількісної оцінки напружено-деформованого
стану комірки прийнято товстостінний одношаровий або двошаровий
ґрунтовий циліндр обмежених розмірів (l і d = 2b), що містить ґрунтову
палю діаметром (2a < 2b) та сприймає навантаження від ростверку.
90
• Напружено-деформований стан комірки досліджується у два етапи:
– на етапі улаштування палі-дрени шляхом примусового нагнітання
порцій робочого матеріалу-щебеню у забій лідируючої свердловини, що
призводить до збільшення її діаметра та виникнення значних радіальних і
дотичних напружень, які забезпечують ущільнення навколишнього
ґрунту;
– на етапі експлуатації перетвореного шару слабкого ґрунту як основи
плитного фундаменту із застосуванням наведених параметрів
деформованості та в’язкості при кількісній оцінці напружено-
деформованого стану основи аналітичними та чисельними (МКЕ)
методами.
• Виконано аналіз результатів комплексних досліджень фізико-механічних
властивостей слабкого ґрунту до і після його перетворення в умовах
компресійного та тривісного стиску, а також перекосу й одноплощинного
зсуву з метою визначення параметрів деформованості, міцності, в’язкості
та віброповзучості ґрунтів.
• Виконано аналіз комплексних полігонних штампових досліджень комірки
та самої щебеневої колони на дослідній ділянці будівництва
енергетичного об'єкта з метою визначення ефективності ущільнення
слабкого ґрунту методом глибинного ущільнення. Показано високу
ефективність методу, так як наведений модуль деформації комірки
досягає до 60 МПа, а щебеневої колони до 100 МПа.
• Виконано аналіз результатів розв'язків задач про НДС комірки
аналітичним та чисельним методами з урахуванням лінійних, нелінійних
та реологічних властивостей навколишнього та підстилаючого ґрунтів з
використанням ПК МаthСАD. Побудовано криві (ізолінії) залежності
компонентів НДС комірки залежно від часу та від координат
• Дано порівняльну оцінку НДС комірки з урахуванням і без урахування
використання наведеного параметра деформованості комірки в цілому.
Показано, що різниця осідання комірки знаходиться в межах 15%.
91