Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного по методу "Геокомпозит"

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Оценка эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного по методу "Геокомпозит""

На правах рукописи

00555244»

МОГИЛЕВЦЕВА Дарья Игоревна

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОГО МОДУЛЯ ОБЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПЕСЧАНОГО МАССИВА, УСИЛЕННОГО ПО МЕТОДУ «ГЕОКОМПОЗИТ»

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 2014 г.

11 СЕН 2014

005552441

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН)

Научный руководитель: Осипов Виктор Иванович

академик РАН, доктор геол.-мин. наук, директор ИГЭ РАН

Официальные оппоненты: Тер-Мартиросян Завен Григорьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механики грунтов и геотехники МГСУ Федоровский Виктор Григорьевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией механики грунтов НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии («ВСЕГИНГЕО»)

Защита диссертации состоится 07.11.2014г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д.002.048.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН) по адресу: 109004, Москва, ул. Николоямская, д. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН) по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д. 13, стр.2, и на сайте www.geoenv.ru.

Просим Вас присылать отзывы (в 2-х экземплярах), заверенные печатью учреждения, на имя ученого секретаря совета по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д. 13, стр. 2, а/я 145, е-шаН:яШ74@таН.ги, ф: +7-495-623-18-86. Автореферат разослан 03.09.2014г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.002.048.01

кандидат

геолого-минералогических наук

Батрак Г.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Состояние проблемы и постановка задачи. С конца 20-х - начала 30-х годов XX века в связи с увеличением объемов строительства и сложности возводимых объектов начали широко применяться методы технической мелиорации грунтов, направленные на искусственное преобразование грунтовых массивов и повышение их несущей способности. Широкое распространение получили такие методы, как цементация, силикатизация, битумизация, глинизация, смолизация и другие, основанные на пропитке грунта и образовании более прочных структурных связей между элементами породы. Многие из перечисленных методов имеют ограничения по техническим причинами и экологическим показателям. К числу таких ограничений следует отнести зависимость получаемых конечных результатов от проницаемости и влажности грунтов, продолжительность процесса пропитки грунта, в ряде случаев - высокая стоимость применяемых для закрепления вяжущих компонентов.

В связи с этим в конце прошлого столетия - начале нынешнего в мировой строительной практике появились более эффективные методы и технологии закрепления грунтов. В настоящее время насчитывается более 20 различных методов и их разновидностей, большая часть которых основана не только на пропитке, но и на преобразовании структуры массива грунта.

Одним из наиболее эффективных и перспективных методов преобразования грунтов является инъекционный метод уплотнения и армирования грунта «Геокомпозит» с применением технологии гидроразрыва. Метод был разработан Б.Н. Мельниковым, А.И. Нестеровым и В.И. Осиповым в 1985 г. применительно к лессовым грунтам. В дальнейшем он был усовершенствован В.И. Осиповым, С.Д. Филимоновым и Е.В. Кайлем и применен для закрепления песчано-глинистых толщ. В настоящее время метод нашел широкое применение не только для песчано-глинистых, но и для заторфованных и различных техногенных грунтов.

Несмотря на широкое применение, метод «Геокомпозит» требует дальнейшего научно-методического и технического совершенствования. Одним из наиболее сложных вопросов остается расчет модуля общей деформации усиленного массива и оценка его несущей способности. Такой расчет необходим при составлении проектов усиления и предварительной оценке экономической эффективности его применения.

Исходя из изложенного, вытекает задача данного исследования. Она заключается в разработке метода расчета и оценке «эффективного» модуля

общей деформации толщи грунта, закрепленной методом «Геокомпозит», на основе использования теоретических основ создания композитных материалов и определения их свойств. «Эффективным» модулем общей деформации усиленного массива принимается модуль общей деформации усиленного массива с учетом изменения свойств грунтов после усиления и наличия в массиве армирующих элементов (цементные включения, микросваи).

Конечной целью работы является совершенствование методики оценки эффективного модуля общей деформации закрепленных массивов грунта и оптимизации методов расчета эффективного модуля общей деформации массива при составлении проектов закрепления оснований конкретных объектов с применением метода «Геокомпозита».

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:

- изучить по литературным источникам теоретические основы решения вопроса о выборе оптимального метода расчета эффективного модуля общей деформации грунтового массива;

- проведение лабораторных исследований с целью получения данных, подтверждающих зависимости свойств композитных смесей от объема, состава и характера включений;

- проведение полевых исследований с целью разработки и применения методики оценки эффективных характеристик грунтового массива.

Актуальность исследований. Актуальность исследований определяется практической важностью отыскания метода расчета эффективного модуля общей деформации массивов грунтов, закрепленных методом «Геокомпозит». Разработка такого метода расчета позволит осуществлять научно-обоснованное проектирование работ по закреплению и определять в процессе проектирования необходимые объемы цементного раствора, частоту и глубину заложения инъекторов, уточнять технологию выполнения работ, прогнозировать получаемый эффект от закрепления и стоимость выполнения всей работы.

Объект исследования. Исследования проводились в два этапа. Первый осуществлялся в лабораторных условиях. Объектом лабораторных исследований были искусственные смеси с твердыми включениями разного состава, формы и размера. В качестве включений использовались стеклянные и стальные цилиндры и шары.

На втором этапе производились полевые исследования, которые заключались в изучении свойств армированного песчаного массива. В качестве

объектов исследования были взяты 11 жилых монолитных зданий, этажностью от 17 до 22, с общим количеством секций 40 штук. Основания данных сооружений были усилены с помощью метода «Геокомпозит».

Информационная база и личный вклад автора. Работа основана на использовании обширной литературы в области механики композитов. Автором выполнен обзор литературы и сбор информации о технологиях и свойствах создаваемых композитных материалов и способах определения усредненных параметров, характеризующих их свойства. Затем из всего изученного был выбран наиболее подходящий метод оценки эффективных свойств грунтовых массивов.

Основные разделы диссертации написаны на основании экспериментальных данных, полученных автором:

1) В лабораторных условиях результаты 243-х испытаний на сдвиг и 81-ого испытания компрессией образцов композитных материалов на основе песчаной матрицы.

2) На экспериментальной площадке в полевых условиях было выполнено:

- 7 штамповых испытаний;

- 28 точек электродинамического зондирования;

- вскрытие шурфов и изучение распространения цементного камня в массиве;

- вскрытие шурфов и изучение строения армированных микросвай;

- 10 определений плотности и влажности грунта, отобранного из шурфа.

3) В ходе полевых испытаний на площадках 11 многоэтажных жилых монолитных зданий (40 блок-секций) было выполнено:

- сбор и обработка материалов по геологическому строению, проектных данных по усилению 40 блок-секций;

- сбор и анализ 40 точек электродинамического зондирования до усиления грунтов;

- сбор и анализ 160 точек электродинамического зондирования после усиления грунтов;

- сбора и анализа данных мониторинга осадок 40 блок-секций.

Достоверность исследований. Все лабораторные эксперименты

проводились на базе аттестованной Лаборатории изучения состава и свойств грунтов в структуре Института Геоэкологии РАН. Опыты производились на сертифицированном оборудовании отечественного и зарубежного производства в соответствие с ГОСТ'ом «12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости».

Создание экспериментальной площадки, а также усиление объектов изучаемой территории проводилось силами компании ООО «Геомассив», имеющей патент и лицензию на осуществление данных работ.

Проведение электродинамического зондирования и штамповых испытаний осуществлялось силами компании ООО «Геомассив», имеющей сертифицированное оборудование и лицензию на осуществление данных работ. Все изыскания проводились с соответствие с ГОСТ'ом «19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием» и СП «11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства».

Обработка экспериментальных данных производилась в соответствие с ГОСТ'ом «20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний».

Разработка методов расчета эффективных характеристик производилась в соответствие с СП 22.13330.2011 "СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений".

Научная новизна заключается в следующем:

- получены экспериментальные данные, подтверждающие зависимости свойств искусственно полученных смесей песка с различными включениями от состава, формы, объемной доли и характера ориентации армирующих включений, а также выявлены особенности взаимодействия элементов композита в зависимости от их процентного содержания в песчаной матрице;

- впервые применена теория композитов для расчета эффективного модуля общей деформации толщи, преобразованной в геокомпозит, матрицей которого являются слабые грунты, а внедряемыми твердыми элементами - цементные включения;

- разработана методика проведения полевых измерений и анализа данных, необходимых для расчета эффективного модуля общей деформации геокомпозитов;

- сопоставлены результаты расчета эффективного модуля общей деформации массива разными методами, которые включают в себя: метод расчета по осадкам с использованием данных, полученных из проектов, в результате электродинамического зондирования, расчета по обратному правилу смеси, по фактическим осадкам, а также метод последовательного усреднения;

- получена расчетная формула и выбран оптимальный метод для оценки эффективного модуля общей деформации инженерно-геологического элемента

с учетом включений цементного камня, и получена зависимость данного показателя от объема нагнетаемого твердеющего раствора;

- использован метод расчета по фактическим осадкам и получены значения эффективного модуля общей деформации геокомпозитов с учетом всех факторов, возникающих в результате создания геотехногенного массива;

- оценено влияние стальных инъекторов, оставляемых в массиве грунта, на формирование эффективного модуля общей деформации массива, усиленного методом «Геокомпозит».

Основные защищаемые положения.

1. Подтверждены вытекающие из теории композитов закономерности на примере искусственных смесей песка и инородных включений различного состава, размера и формы.

2. Установлены основные эффекты, обуславливающие повышение несущей способности грунтов при создании геокомпозитов. К числу таких эффектов относится: а) уплотнение грунта при инъектировании цементного раствора под давлением; б) гидроразрыв грунта в прилегающей к инъектору зоне; в) заполнение гидроразрывных полостей цементным раствором с армированием массива цементным камнем.

3. Проведен анализ методов расчета эффективного модуля общей деформации геокомпозитов, применяющихся в механике композитов, в сочетании с фактическими данными, полученными при наблюдении за осадками сооружений. Произведена оценка и найдены оптимальные методы расчета эффективного модуля общей деформации как для отдельных инженерно-геологических элементов, так и для массивов в целом.

4. Оценено дополнительное усиление массива закрепленного фунта путем создания армированных микросвай из инъекторов, оставляемых в массиве после окончания нагнетания раствора.

5. Разработана методика расчета эффективного модуля общей деформации массива грунта, усиленного по методу «Геокомпозит».

Практическая значимость работы. Полученные в ходе лабораторных работ экспериментальные данные позволяют выделять наиболее оптимальные объемные доли включений для достижения эффективных характеристик композита.

Применение теории композитов для создания геокомпозитов, матрицей которых являются слабые грунты, а внедряемыми твердыми элементами -цементные включения, позволяет аналитически оценить степень эффективности усиления ИГЭ в зависимости от объема нагнетаемого

твердеющего раствора и установить оптимальный объем инъектирования для достижения необходимых эффективных свойств массива.

Использование метода расчета по фактическим осадкам позволяет учесть все факторы, возникающие в результате создания геотехногенного массива, при оценке эффективного модуля общей деформации геокомпозитов.

Апробация результатов исследования. Материалы лабораторной части были представлены:

- в 2008 году на Девятой Межвузовской Молодежной Научной Конференции "Школа экологической геологии и рационального недропользования" на базе Санкт-Петербургского государственного университета;

- в 2010 году на «Пятой Сибирской Международной конференции молодых ученых по наукам о Земле», проходившей на базе Института геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН и Института нефтегазовой геологии и геофизики имени A.A. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск.

Также лабораторная часть исследований обсуждалась:

- на семинаре в рамках «Международного Молодежного Научного Форума Ломоносов-2010» на подсекции «Инженерная и экологическая геология» секции «Геология» на базе кафедры Инженерной и экологической геологии МГУ им. Ломоносова.

Основные положения работы были представлены на обсуждение в рамках:

- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» на подсекции «Механика грунтов» в НИУ МГСУ в 2013 году;

- «II Всероссийской научно-практической конференции. Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий» на секции Общие проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии на базе УГГУ г. Екатеринбург в 2013 году.

- юбилейной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Е.М. Сергеева «XVI юбилейные Сергеевские чтения. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе», ИГЭ РАН, 2014 год.

По результатам работ были опубликованы три статьи в рецензируемом журнале «Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология», входящем в список научных изданий, рекомендуемых ВАК'ом.

Структура работы. Работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения и списка литературы из 124 наименований. Объем работы составляет 182 страницы, включая 63 рисунка и 9 таблиц.

Автор выражает огромную благодарность Осипову В.И., по руководством которого проводились все этапы исследований и была написана работа. Также автор выражает глубокую благодарность Власову А.Н. за оказанную помощь в написании работы. Отдельно автор выражает благодарность Филимонову С.Д. за организацию полевых работ, Балашайтису Э.И., Бондаренко В.В., Китмановой Е.Д. за поддержку и помощь при проведении полевых исследований, Кутергину В.Н., Новикову П.И., Кальбергенову Р.Г., Серебровой О.В. за помощь и поддержку при проведении лабораторных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Композитные материалы: история развития, разновидности и механические свойства.

Композиты - это материалы, состоящие из двух и более разнородных веществ с прослеживающейся границей между ними, и, как следствие, обладающие свойствами, которые не имели исходные материалы. Классификация композитов базируется на геометрических параметрах фаз. Одним из главных вопросов механики композитов является определение эффективных деформационных и прочностных показателей с использованием данных о физико-механических свойствах, геометрии и количестве составляющих композит элементов. Первые работы в области механики твердых структурно-неоднородных сред, относящиеся к концу 20-х годов XX в., принадлежат В. Фойгту.А. Рейссу и Б. Полю, разработанные ими подходы по расчету «эффективных» характеристик основаны на усреднении упругих свойств по объему и объемных долях фаз (вилка Фойгта-Рейсса). С начала 60-х годов во многом благодаря усилиям 3. Хашина, С. Штрикмана, Б. Розена, Р. Хилла и др. разрабатываются вариационные методы, учитывающие энергии деформации (вилка Хашина-Штрикмана) и применяемые практически для любых видов композитов, независимо от их внутреннего строения.

Среди приближенных подходов, учитывающих структуру и объемную долю элементов, 3. Хашином, С. Штрикманом, Б. Розеном, Р. Хиллом, Дж. Кристенсеном и др. разработаны и описаны модели для сред со сферическими, цилиндрическими и пластинчатыми включениями. Полидисперсная модель со сферическими и цилиндрическими элементами пригодна только для сред с

большим распределением размеров включений и совершенно не пригодна для композитов с большим содержанием наполнителя одного размера.

Кристенсеном, Ло, Смитом, Кёрнером, Ван-дер-Полем, Хершеем разрабатывались и были описаны методы вириального разложения, самосогласования (трехфазная модель) и др. для сред со сферическими, цилиндрическими включениями и для поликристаллической среды.

В трудах Ванина Г.А. (Ван Фо Фы) рассмотрены подходы, основанные на регуляризации структуры, которые подразумевают совершенно точное расположение и форму элементов.

Основы математических методов асимптотического усреднения в механике композитов были разработаны Бахваловым Н.С., Панасенко Г.П., Олейником O.A., Бердичевским В.Л., Победрей Б.Е., др. Универсальность асимптотических методов заключается в том, что они применимы к плоским и пространственным, линейным и нелинейным задачам, поэтому во многих работах по определению эффективных характеристик различных композитов приведены примеры использования асимптотических методов.

Глава 2. Массивы грунтов как структурно-неоднородная среда.

Некоторые, встречающиеся в природе массивы грунтов естественного сложения напоминают по своему строению структурно-неоднородную среду. Ярким примером этому служат моренные отложения, где матрица - это песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые грунты, а включения - глыбы, валуны, галька и другие обломки твердых пород. Таким образом, при изучении эффективных свойств подобного массива его можно рассматривать как композит с дисперсными включениями какой-либо формы (сферической, цилиндрической, пластинчатой, кубической). A.B. Конвиз, Е.В. Щербина, В.В. Семенов и С.Б. Ухов предложили расчетно-экспериментальный метод определения характеристик механических свойств масштабно неоднородных грунтов с выделением «типовых структур».

Среди неоднородных грунтов также можно выделить слоистые толщи, которые могут состоять как из одной породы, так и представлять собой серии с ритмичным переслаиванием нескольких горных пород. Подобные массивы можно рассматривать как слоистые композиты. Также примером слоистого композита являются скальные трещиноватые грунты, так как при изучении подобных массивов и оценке физико-механических свойств нельзя рассматривать их как физически сплошное твердое тело. Первым, кто предложил методы расчета эффективных модулей деформации слоистых пород вдоль и поперек напластования был А.Г. Тархов, в последствие его подход был

развит и другими авторами: Руппенейтом К.В., Ризниченко Ю.В., Гольдфарбом В.М., Постмой А. Власов А.Н., Мерзляков В.П. и Ухов С.Б. разработали метод определения деформационных и прочностных свойств слоистых скальных грунтов на основании метода асимптотического усреднения, как ранее было сказано, предложенного Бахваловым Н.С.

Применение подобных методов определения эффективных характеристик позволяет принимать более рациональные с экономической точки зрения решения при проектировании и строительстве.

Глава 3. Геотехногенные массивы как структурно-неоднородная среда.

Геотехногенный массив - термин, введенный рядом авторов (Мельников Б.Н., Нестеров А.И., Осипов В.И.), определяется как «часть грунтовой толщи, улучшенная методами технической мелиорации с образованием пространственной структуры массива на фациальном уровне». Создание геотехногенного массива необходимо в том случае, когда исходные грунтовые массивы по своим свойствам не подходят для реализации какой-либо инженерной задачи. Основная концепция геотехногенного массива заключается в оптимальной передаче нагрузки от сооружения на весь массив грунта, для этого необходимо создать во всем объеме массива геотехногенную структуру, воспринимающую нагрузку.

Среди всевозможных методов создания геотехногенных массивов наибольшее распространение приобрели инъекционные методы усиления оснований вяжущими растворами. Это связано с универсальностью методов относительно свойств грунтов (связность, обводненность и др.) и компактностью рабочих установок. В качестве закрепляющего вещества используются жидкое стекло, бентонит, природные и синтетические смолы, битумы, растворы электролитов, портландцемент, известь и т.д.

По степени и виду воздействия на массив Осипов В.И. разделяет все методы глубинной инъекции на четыре группы:

- метод заполнения реагентом трещин, пустот и каверн в грунте;

- метод пропитки грунта применяемым реагентом;

- метод уплотнения за счет образования в точке нагнетания плотного тела из инъектируемого вещества и уплотнения окружающего его грунта;

- метод уплотнения и армирования фунта с применением гидроразрыва

Если рассматривать геотехногенные массивы как структурно-неоднородные

среды, то для определения их свойств вполне аргументировано применение к ним расчетных моделей эффективных показателей композитных материалов. Так Иваненков, Б.Н. Мельников, В.И. Осипов, А.И. Нестерова для расчетов

деформационных свойств геотехногенного массива применяли трехфазную и полидисперсную модели. Цветков Р.В., Шардаков И.Н. для оценки напряженно деформированного состояния основания, состоящего из закарстованных грунтов, моделировали систему «грунтовое основание-свайный фундамент-здание» как линейно-упругую трансверсально-изотропную среду. Некоторое количество методов расчетов, учитывающих нелинейную работу грунтов, описывает в своей работе Безвольев С.Г., что особенно актуально при строительстве высотных и особо тяжелых сооружений. Оржеховский Ю.Р., Лушников В.В., Оржеховская Р.Я. описывают математическую модель системы «просадочный грунт - подстилающее основание - свайный фундамент - контурная обойма». Модель доведена авторами до уровня инженерного метода. В инженерной практике на данный момент используется достаточно большое число компьютерных расчетных комплексов, среди них: GeoSoft, Alterra, GeoWall, GeoPIate, Статика-2005, PlastD, Земля, Plaxis, Foundation, ANSYS и др. Некоторые из них вполне пригодны для оценки свойств геотехногенных массивов.

Многие исследователи для изучения различных гетерогенных сред создавали композиты в лабораторных условиях, добавляя в природные грунты различные включения, цементируя грунты всевозможными способами, переслаивая их с другими материалами, например, А. Б. Кондратова и А. А. Барях.

Проблемам методологии исследования геотехногенных структур посвящена монография Мельникова Б.Н. и Мельникова Ю.Б., где подчеркнута необходимость изучения геотехногенного массива в целом и отражена его многокомпонентность.

Геотехногенный массив является структурно неоднородной средой, поэтому многие исследователи применяют методы механики композитных материалов для расчета эффективных свойств неоднородных грунтов.

Глава 4. Инъекционное усиление грунтов методом «Геокомпозит».

Метод «Геокомпозит» относится к методам инъекционного усиления грунтов и основан на инъектировании твердеющих цементных растворов в массив через специальные стальные инъекторы. Основным несущим элементом «Геокомпозита» является грунтоцементная плита, дополняемая вертикальным и иногда горизонтальным защитным экраном, причем защитный экран создается в первую очередь, затем грунтоцементная плита. Сетка нагнетания, очередность нагнетания, объем, состав и давление рабочего

раствора, глубина нагнетания и пр. осуществляется согласно разработанному проекту.

Физической основой создания «элементарной ячейки» является гидроразрыв, который приводит к обжатию и последующему уплотнению грунтов. Метод «Геокомпозит» хорошо работает в различных грунтах: песчаных, глинистых, заторфованных, насыпных и т.д. Наличие грунтовых вод не является каким-либо ограничением для применения метода.

«Геокомпозит» одинаково хорошо подходит для усиления оснований сооружений на плитных, ленточных, столбчатых и свайных фундаментах, как при новом строительстве, так и при реконструкции сооружений. Преимущество применения метода «Геокомпозит» в стесненных городских условиях, для реконструкции сооружений обусловлено использованием легкой техники малых габаритов, что позволяет выполнять работы по закреплению оснований без остановки функционирования сооружения.

Качество работ, выполняемых методом «Геокомпозит» оценивается с помощью метода электродинамического зондирования, которое производится до и после окончания закрепления грунтов. В некоторых случаях проверку качества работ возможно проводить с применением скважинного штампа. После нагнетания в течение одного-двух лет производится мониторинг осадок сооружений.

Метод «Геокомпозит» отличается от других инъекционных методов усиления грунтов по нескольким параметрам: меньшим расходом вяжущего вещества, универсальностью применения, легким малогабаритным оборудованием, простой технологией, экологической чистотой и экономичностью.

Применение метода в различных грунтовых условиях позволяет решать с его помощью такие задачи, как укрепление склонов, откосов, выправление кренов зданий, создание противовибрационных экранов и т.д.

Глава 5. Лабораторные исследования геокомпозитных смесей, созданных на основе песчаной матрицы.

Формирование образцов. Для создания гетерогенной среды был взят мелкозернистый кварцевый песок в качестве матрицы и стеклянные и стальные шары и цилиндры различного размера в качестве включений.

Опытные композиционные образцы разных видов формировались непосредственно в кольцах прибора путем укладывания песка вперемешку с включениями, которые распределялись по объему равномерно. Все виды композитов представлены в табл.1, 2.

Первый вид - композит с песчаной матрицей и стеклянными шариками диаметром 7 мм. Второй вид - композит с песчаной матрицей и стеклянными шариками диаметром 4 мм. Третий вид - композит с песчаной матрицей и стальными шариками диаметром 4 мм. Четвертый вид - композит с песчаной матрицей и стеклянными цилиндрами диаметром 4 мм, длиной 10-15 мм. Пятый вид - композит с песчаной матрицей и стальными цилиндрами диаметром 2 мм, длиной 10-15 мм.

Лабораторные работы. Для выполнения поставленной задачи проведена серия испытаний на компрессию и сдвиг в лабораторных условиях. Для определения угла внутреннего трения испытания проводились на приборе ПСГ-2м при трех различных вертикальных нагрузках: 400, 600 и 800 Н, что в пересчете дает следующие вертикальные напряжения: 0,1, 0,15 и 0,2 МПа. Для определения модуля общей деформации работы производились на приборе для компрессионных испытаний грунтов Controls Т0321, ступени вертикальной нагрузки составляли 1, 2 и 3 МПа или в пересчете на площадь всего образца 7500, 15000, 22500 Н. Вся методика подготовки образцов (закладывание грунта в кольцо, определение плотности, размер кольца) и сборка прибора (установка кольца с грунтом, штампа, индикатора, величина зазора и пр.) соответствует ГОСТу 12248-96. Всего было сформировано и испытано 243 образца на сдвиг и 81 образец на компрессию.

Табл.1.

объемная доля включений в процентах Виды приготовленных для эксперимента композитов со сферическими включениями

I II III

10 большие стеклянные малые стеклянные малые стальные

20 большие стеклянные малые стеклянные малые стальные

30 большие стеклянные малые стеклянные малые стальные

Табл.2.

объемная доля включений в процентах Виды приготовленных для эксперимента композитов с цилиндрическими включениями. Расположение стеклянных или стальных цилиндров в образце относительно плоскости сдвига или направления нагрузки

IV и V виды композита

10 параллельное хаотичное перпендикулярное

20 параллельное хаотичное перпендикулярное

30 параллельное хаотичное перпендикулярное

Данные, полученные по итогам проведенных испытаний, дают возможность сделать следующие выводы:

1. Добавка включений в матрицу приводит к росту сопротивления сдвигу композита, при этом рост значения угла внутреннего трения зависит от объемной доли включений, формы и ориентации включений в матрице. Величина угла внутреннего трения возрастает с увеличением доли включений и увеличением их анизометрии. Для изометричных включений угол внутреннего трения возрастает по мере увеличения количества включений, расположенных наиболее удлиненным продольным сечением перпендикулярно направлению сдвига.

2. При испытании на сжатие наблюдается рост модуля общей деформации при объемном содержании включений в образце равном 10% и 30%. В случае 10-%-го содержания рост показателя обусловлен преобладанием трения качения включений, а так же трением на контактах элементов матрицы. В случае 30-%-го содержания - образуется объемный каркас из включений, препятствующий переупаковке включений в матрице. При 20%-м объемном содержании частиц роста модуля общей деформации практически не происходит за счет, так называемого, механизма смазки. Суть этого механизма заключается в том, что на контактах включений присутствуют прослойки песка, играющие роль аналогично механизму щарикоподшипника. Трение качения от включений передается на зерна песка в тонкой прослойке между включениями, в результате чего зерна начинают катиться, облегчая трение качения крупных включений. Влияние включений цилиндрической формы на параметры сдвига и сжимаемости зависит от их ориентации в композите по отношению к направлению действующей нагрузки. Во всех случаях значение угла внутреннего трения и модуля общей деформации максимально при расположении включений перпендикулярно по отношению действия сдвигающей и параллельно сжимающей нагрузке, и минимально при параллельном расположении включений относительно сдвигающей и перпендикулярно относительно сжимающей нагрузке.

3. При сравнении значений эффективного модуля общей деформации, полученных лабораторными испытаниями и расчетом методом обратного правила смеси, можно отметить следующее. Расчетный метод не учитывает форму, ориентацию включений и механику их контактных взаимодействий между собой. Поэтому расхождения экспериментальных и расчетных значений проявляются тем больше, чем значительнее влияние этих факторов на формирование эффективных характеристик композитов. Например, в случае

расположения цилиндрических включений параллельно направлению действия сжимающей нагрузки отмечается полное несовпадение экспериментальных и расчетных значений модуля общей деформации. Различие объясняется тем, что с увеличением степени разворота включений при сжатии, уплотнение снижается из-за большего расхода энергии на разворот частиц, что приводит к значительному увеличению модуля общей деформации. Кроме того, при подобном расположении цилиндрических включений значительную часть сопротивления действующей нагрузке обеспечивает боковое трение о их поверхность. Для других видов композитов хорошая сходимость расчетных и экспериментальных значений наблюдалась для малой объемной доли включений (до ~10%), что дает возможность использовать обратное правило смеси для оценки эффективного модуля общей деформации усиленных методом «Геокомпозит» ИГЭ и массивов.

Глава 6. Полевые исследования по оценке эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного по методу «Геокомпозит».

Объект исследований. Исследования проводились на территории бывших Люберецких полей аэрации, где в настоящий момент расположен новый жилой район. Модуль общей деформации грунтов оснований некоторых сооружений изменялся в пределах от 4 до 40 МПа, в связи с чем основания 11-ти монолитных жилых зданий были усилены методом «Геокомпозит».

Методика расчета. Методика изучения массива, усиленного по методу «Геокомпозит», в представленной работе разделена на две части: оценка эффективного модуля общей деформации инженерно-геологического элемента (ИГЭ) и оценка эффективного модуля общей деформации массива.

Оценка эффективного модуля общей деформации инженерно-геологического элемента (ИГЭ).

1. Оценка эффективного модуля общей деформации усиленных ИГЭ с помощью метода электродинамического зондирования (ЭДЗ), которое проводилось на всех объектах до и после усиления. По результатам этих измерений для каждой блок-секции были построены схемы строения площадок с выделенными ИГЭ, где указаны модули общей деформации ИГЭ до и после усиления. По результатам данного исследования отмечено значительное увеличение эффективного модуля общей деформации усиленных ИГЭ за счет повышения их плотности и уменьшения пористости, значения показателя изменяются в пределах от 30 до 65 МПа и отображены на рис. 1 (линия 3).

2. Оценка эффективного модуля общей деформации усиленных ИГЭ с помощью расчета по обратному правилу смеси. С помощью метода ЭДЗ

затруднительно оценить степень влияния включений цементного камня на свойства усиленного ИГЭ, чтобы учесть данный фактор, эффективный модуль общей деформации ИГЭ определялся с помощью метода обратного правила смеси, которое выражается следующим образом:

_!_=«. + lz£L, (1)

Еэф

где Е1ф - эффективный модуль общей деформации композита, МПа; модуль общей деформации (МПа): £, - цементного включения, Е2 - грунта после усиления; а - объемная доля цементного включения, взятая на основе проектных данных об объеме инъецируемого раствора. Полученные значения эффективного модуля общей деформации ИГЭ по обратному правилу смеси изменяются в пределах от 31 до 77 МПа, что выше аналогичных показателей, полученных по методу ЭДЗ.

График зависимости значений эффективного модуля общей деформации, рассчитанных по обратному правилу смеси от объемной доли инъецируемого раствора, представлен на рис. 1 (линия 1). Гиперболическая зависимость (1) в пределах значений абсциссы от 0.03 до 0.12 аппроксимируется линейной регрессией у = 238.76.x + 32.2 (линия 2).

3. Оценка влияния армирующих элементов на эффективный модуль общей деформации усиленных ИГЭ с помощью полевых методов исследований и изучение строения армированной микросваи в песчаном массиве. Для решения этой задачи была создана экспериментальная площадка, на которой был выделен ИГЭ с исходным модулем общей деформации в среднем 18 МПа по данным ЭДЗ и испытаний скважинным штампом. Произведено усиление данного ИГЭ по методу «Геокомпозит», выполнены испытания ЭДЗ (эффективный модуль общей деформации составил от 17 до 33 МПа) и скважинным штампом (эффективный модуль общей деформации составил от 26 до 46 МПа). На данной площадке шурфами вскрыты армированные микросваи для изучения их строения и распространения цементного камня.

Оценка эффективного модуля общей деформации массива.

4. Оценка эффективного модуля общей деформации усиленного массива с использованием метода расчета по осадкам, с использованием компьютерной программы «Foundation». Расчет для основания каждой блок-секции произведен с использованием пяти различных модулей общей деформации усиленных ИГЭ (по пяти схемам):

Е 90,00 80,00 70,00

• Эффективный модуль общей деформации ИГЭ, рассчитанный по обратному правилу смеси

1 ✓ 2.

^ = 238,7бх + 32,249

ГО с: £ щ- 60,00 50,00 40,00 30,00 1 ^ Ф Эффективный модуль общей деформации ИГЭ по данным динамического зондирования

• ; « ♦ ' з 0 Л & О^- "О Ф ^^ § - -- '

2 о. о -е- ш д с: о 2 Л^ Л- о — — 1 - Гиперболическая регрессия, полученная для эффективного модуля общей деформации, рассчитанного по обратному правилу смеси

0

20,00 10,00 эффективного модуля общей деформации,

расчитанного по обратному правилу смеси

— - ~3-Линейная регрессия, полученная для эффктивного модуля общей деформации,

0,00 полученного поданным электродина меческого

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 зондирования

Объемная доля инъецируемого цементного раствора

Рис. 1. Зависимость эффективных модулей общей деформации усиленных ИГЭ, полученных по данным ЭДЗ и расчетом по обратному правилу смеси, от объемной доли вводимого цементного раствора.

- эффективный модуль общей деформации (ЭМОД) ИГЭ до усиления (ЭМОД массива составил 14-32 МПа (рис. 3, линия 1), осадки составили 31-60 мм (рис. 2, линия 1));

- эффективный модуль общей деформации ИГЭ, полученный из проекта (ЭМОД массива составил 24-35 МПа (рис. 3, линия 2), осадки составили 27-45 мм (рис. 2, линия 2));

- эффективный модуль общей деформации ИГЭ, полученный по данным ЭДЗ (ЭМОД массива составил 26-45 МПа (рис. 3, линия 3), осадки 21-37 мм (рис. 2, линия 3));

- эффективный модуль общей деформации ИГЭ, полученный расчетом методом обратного правила смеси (ЭМОД массива составил 26-45 МПа (рис. 3, линия 4), осадки 21-37 мм (рис. 2, линия 4));

- эффективный модуль общей деформации ИГЭ, соответствующий фактической осадке 14-38 мм (рис. 2, линия 5) (ЭМОД массива составил 25-64 МПа (рис. 3, линия 6)).

5. Оценка эффективного модуля общей деформации массива с использованием метода последовательного усреднения. Данный метод применяется для косвенной оценки влияния армирующего эффекта инъекторов на определение эффективного модуля общей деформации усиленного массива. Метод последовательного усреднения основывается на комбинации прямого и обратного правил смеси, так как здесь можно учитывать объемные доли элементов геокомпозита, в том числе и стальных инъекторов. Данным методом можно оценить степень влияния на эффективный модуль общей деформации массива стальных элементов.

Эффективный модуль общей деформации ИГЭ определялся с использованием усреднения по Фойгту (прямое правило смеси):

= а»

где Еэф - эффективный модуль общей деформации ИГЭ в блок-секции, МПа; модуль общей деформации, МПа: £ч - цементного камня, Егр - грунта после усиления в блок-секции; общая площадь: - инъекторов в плане в блок-

секции, 5 - блок-секции, см2.

Расчет эффективного модуля общей деформации массива производился как усреднение по Рейссу (обратное правило смеси):

+ ^ + ^ = (3)

ф ф

- -о- - 2-Осадка, заложенная проектом, усиленный

—*—З-Осадка, полученная по

70 ИГЭ, ЭМОД которых

рассчитан по обратному

60 ■ правилу смеси, усиленный

массив

"4-Осадка по ЭДЗ (электродинамическое зондирование), усиленный массив

10 ........................................ —-—5-Осадка фактическая, по

данным

О 1 ' " 1 1 1 1 т 5 инструментальных

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 замеров осадки плиты.

Блок-секция (каждой единице соответствует одна блок-секция)

усиленный массив

Рис.2. Осадки блок-секций, полученные по разным эффективным модулям общей деформации массива. Схема линейно-деформированного слоя. Каждое значение по оси абсцисс соответствует конкретной блок-секции.

1-ЭМОД массива до усиления

-О- - 2-ЭМОД усиленного массива по проекту

■3-ЭМОД усиленного массива,с ИГЭ, ЭМОД которых рассчитан по обратному правилу смеси

4-ЭМОД усиленного массива по ЭДЗ (электродинамическое зондирование)

5-ЭМОД усиленного массива по принципу суперпозиции

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Блок-секция (каждая единица соответствует одной блок-секции)

т&г—~ 6-ЭМОД усиленного

массива, рассчитанный по 50 фактическим (по данным

инструментальных замеров осадки плиты) осадкам

Рис.3. Распределение эффективных модулей общей деформации массива (ЭМОД), полученных разными методами. Схема линейно-деформированного слоя. Каждое значение по оси абсцисс соответствует конкретной блок-секци

где V, и Е1зф— доля мощности и ЭМОД участков разреза, где не производилось усиления грунтов, но присутствуют инъекторы, МПа; у2 и Е1эф - доля мощности и ЭМОД участков разреза, где грунты были усилены, МПа; и Е,ст - доля мощности и ЭМОД грунтов естественного сложения, МПа.

Результаты расчетов по формуле (3) приведены на рис. 3 (линия 5). Значения эффективного модуля общей деформации массива варьируют в пределах от 29 до 80 МПа с учетом влияния армированных микросвай, и - от 29 до 69 МПа без учета влияния микросвай.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Анализ теоретической базы создания композитов и проведенные автором экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Лабораторные исследования искусственных смесей песка с неоднородными включениями различного состава, размера и формы подтвердили наличие влияния объемного содержания и характера включений на свойства более слабой песчаной матрицы. В частности было получено:

- увеличение угла внутреннего трения композита с ростом объемной доли включений и степени ориентации анизометричных включений по направлению перпендикулярному направлению сдвига;

- увеличение модуля общей деформации при объемном содержании включений менее 10% и более 30% и ориентации анизометричных частиц параллельно действующей сжимающей нагрузке.

- применение расчетного метода обратного правила смеси, используемого в теории композитов, дает для исследуемых композитов удовлетворительные результаты при объемном содержании включений менее 10%. При большем содержании включений метод обратного правила смеси показывает результаты, значительно отличающиеся от экспериментальных.

2. Анализ геокомпозитов, созданных в песчаных грунтах с применением технологии гидроразрыва с усилением толщи песчаного грунта цементным камнем и армированными микросваями, на территории бывших Люберецких полей аэрации под 11-тью монолитными жилыми зданиями этажностью от 17 до 22, показал, что повышение несущей способности песчаной толщи при создании геокомпозита достигается за счет следующих эффектов:

- уплотнения грунта, о чем свидетельствуют данные электродинамического зондирования (ЭДЗ);

- заполнения пустот и гидроразрывных трещин цементным раствором, превращающимся в цементный камень, что подтверждается результатами разбуривания и данными электродинамического зондирования;

- формирования армированных микросвай с разветвленной системой цементных шлиров и увеличением диаметра самой микросваи, что подтверждается вскрытием свай шурфами.

Каждый из перечисленных выше эффектов, происходящих в закрепленном грунте, вносит вклад в формирование деформационных свойств толщи. Поэтому нахождение модуля общей деформации должно основываться на оценке роли каждого эффекта.

3. Проведена сравнительная оценка оценки эффективного модуля общей деформации, исследуемого массива грунта с применением следующих методов:

- электродинамическое зондирование;

- расчет по обратному правилу смеси;

- штамповые испытания;

- расчет по осадкам с использованием данных электродинамического зондирования, расчетов по обратному правилу смеси, проектных данных, фактических данных по осадкам;

- расчет методом последовательного усреднения.

Было установлено, что для оценки эффективного модуля общей деформации отдельных инженерно-геологических элементов оптимальным следует считать метод электродинамического зондирования или расчет методом обратного правила смеси. Для массива грунтов оптимальным является метод расчета по осадке с использованием данных электродинамического зондирования или результатов расчетов методом обратного правила смеси. Разработана методика оценки эффективного модуля общей деформации с использованием предлагаемых методов. Результаты расчетов показывают, что для песчаных грунтов эффективный модуль общей деформации массива при усилении повышается в среднем в 1,5 раза. Значения эффективного модуля общей деформации массива грунта, полученные методом обратного правила смеси, изменяются в пределах от 27 до 46 МПа. Расчет по осадкам по фактическим данным дает значения показателя от 25 до 64 МПа.

4. Разработана методика расчета и проведена оценка влияния армированной микросваи на величину модуля общей деформации массива грунта с использованием метода последовательного усреднения. Эффективный модуль общей деформации усиленного массива был оценен в пределах от 29

до 80 МПа с учетом влияния армированных микросвай, и - от 29 до 69 МПа без учета влияния микросвай.

5. Разработанная методика оценки эффективных деформационных характеристик массива, усиленных методом «Геокомпозит», включает в себя ряд последовательных операций:

- расчет эффективных модулей общей деформации усиленных инженерно-геологических элементов методом обратного правила смеси по данным электродинамического зондирования и объемам уплотняющего раствора.

- расчет на основании полученных эффективных модулей общей деформации инженерно-геологических элементов эффективный модуль общей деформации массива в целом с использованием метода расчета по осадкам по схеме линейно-деформированного слоя.

- расчет методом последовательного усреднения эффективный модуль общей деформации массива с учетом влияния микросваи.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Публикации в рецензируемых научных журналах

1. Могилевцева Д.И. Влияние формы, количества, состава и пространственного расположения включений на прочностные и деформационные характеристики геокомпозита // Геоэкология. 2012. №4. С. 371-375.

2. Могилевцева Д.И. Определение эффективного модуля общей деформации песчаных грунтов, закрепленных методом «Геокомпозит» // Геоэкология. 2012. №6. С. 571-572.

3. Могилевцева Д.И. Оценка эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного методом «Геокомпозит»//Геоэкология. 2014. №1. С. 66-79.

Публикации в других изданиях

4. Могилевцева Д.И. Влияние включений различной формы и состава на прочностные и деформационные свойства песчаного композита// Материалы Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2010». Секция Геология. Подсекция Инженерная геология (12-15 апреля 2010, МГУ). Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев, A.B. Андриянов. [Электронный ресурс] — М.: МАКС Пресс, 2010. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

5. Могилевцева Д.И. Влияние формы, количества и пространственного расположения включений на прочностные и деформационные характеристики песчаного грунта// Электронный сборник тезисов «Пятой Сибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле», Секция Геоэкология, гидрогеология, инженерная геология и природопользование. (29 ноября - 2 декабря 2010 г. Институт геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН, Институт нефтегазовой геологии и геофизики имени A.A. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск). 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

6. Могилевцева Д.И. Прочностные и деформационные свойства композитного материала на основе песчаного грунта // "Школа экологической геологии и рационального недропользования". Материалы IX Межвузовской Молодежной Научной Конференции (24-28 ноября 2008 г., СПбГУ) СПб.: Изд-во геологического ф-та, СПбГУ, 2008. С. 261-263.

7. Могилевцева Д.И. Оценка эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного методом «Геокомпозит»// Сергеевские чтения. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе. Юбилейная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения академика Е.М. Сергеева. Вып. 16. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (21 марта 2014 г.). - Москва : РУДН,2014.-С. 72-77.

8. Могилевцева Д.И. Оценка эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного методом «Геокомпозит»// "Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий". Материалы II Всероссийской научно-практической конференции (912 декабря 2013 г., г. Екатеринбург, УГГУ) СПб.: Изд-во геологического ф-та, СПбГУ, 2013. С. 21-24.

Подписано в печать: 30.08.2014

Объем: 1,1 п.л. Тираж: 200 экз. Заказ № 2017 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Мясницкие Ворота д.1, стр. 3 (495) 971-22-77; www.reglet.ru