1. Введение

Для зданий исторической застройки Санкт-Петербурга существует ограничения по значениям дополнительных осадок 5…20 мм. Скорость развития деформаций («вековые осадки») на объектах в историческом центре при том, что в состояние системы «основание — фундамент» не вмешиваются иные факторы, может составлять порядка 1,5 мм/год [1]. Федеральные законы 384-ФЗ и 73-ФЗ требуют проведения работ с соблюдением максимальной безопасности. Значимыми факторами риска, оказывающими влияние на деформации зданий на слабых грунтах, как при новом строительстве, так и реконструкции, являются технология фундирования и организационная последовательность устройства. Для зданий на слабых грунтах необходимо повышать эффективность проведения строительных работ нулевого цикла. Предпочтительной является технология, которая исключает нарушение структуры этих грунтов [2]. Значимость усиления фундаментов в условиях пылевато-глинистых грунтов связана с тем, что грунты оснований зданий уже перегружены или находятся в состоянии предельного равновесия. Поэтому важна оценка нагрузок, как по первой группе предельных состояний, так и введение ограничения относительной неравномерности накопленных деформаций, для зданий ОКН с несущими стенами из кирпичной кладки (ΔS/L)ad u=0,0020.

Необходимость реконструкции исторической застройки, бездефектное устройство заглубленных и подземных сооружений является актуальной проблемой строительства. Технологии стабилизации грунтов оснований ниже подошв фундаментов зданий на определяемую расчетом глубину позволяют решать эти многофакторные проблемы. Проведение цементации из скважин под подошвой фундаментов с высокими давлениями приводит к подъемам и далее к просадкам фундаментов из-за явлений клакажа и гидроразрывов. Нужно учитывать, что в наклонных скважинах в результате ускоренногоения цементного раствора снижается качество закрепления из-за проявления эффекта Бойкотта.

С помощью струйной технологии закрепления можно реализовать эффективные варианты усиления фундаментов — максимально использовав свойства оснований за счет ограничения боковых деформаций грунта и развития значительных сил трения грунта о грунт при боковых смещениях грунтов ниже грунтоцементных элементов (ГЦЭ). Эффективность зависит от формы и размеров армирующих элементов, а также их глубины. Несущая способность основания определяется прочностью на сжатие созданных конструкций и несущей способностью подстилающих грунтов [3]. Расчетное обоснование усиления позволяет влиять на показатели эффективности технологии: глубины заложения фундаментов для увеличения допускаемой нагрузки, устройства подземного объема под зданием, а также для устройства днищ котлованов. Использование конических свай в основании бутовых фундаментов исторических зданий показало, что максимальное уплотнение слоев грунтов оснований приуроченных к верхней части и имеющих очертание полуцилиндрической формы, а в слабых грунтах их форма была трапециевидной с сужением книзу [4].

Актуальной задачей является систематизация и оценка эффективных решений усиления грунтов в самостоятельном виде. Для определения деформаций оснований фундаментов в настоящее время широко применяются методы численного 2D-моделирования, при котором грунт основания полностью заменяется модифицированным материалом, что не экономично. Выбор модели структурного геомассива, выполненного по струйной технологии, должен определятся в сравнении с фактическими данными [5]. Методы аналитических решений задач повышения несущей способности и подбора оптимальных параметров усиления в геотехнической практике используются реже [6], [7]. Для оптимизации варианта усиления по струйной цементации оснований, после выбора и расчета осадки, необходимо 3D-моделирование усиления фундаментов, особую значимость имеет проведение статических испытаний слабых грунтов площадок опытными jet сваями. Контроль технологии и оценка эффективности расхода цемента должен осуществляться не только с помощью испытаний кернов, но и инклинометрических измерений.

2. Развитие методов струйной технологий в геотехнической практике

Технология jet grouting была запатентована в Японии как «Метод химического перемешивания свай» (CCP), который является предшественником технологии Jet-1. Со временем, при совершенствовании оборудования были разработаны технология Jet-2 [8], технология Jet-3, а также методы SSS-MAN, Rodin Jet Pile (RJP) и Metro Jet System (MJS) [9]. Для увеличения размеров ГЦЭ были внедрены технические усовершенствования, такие как технология Super Jet, технология X-Jetting, технология Rodin Jet Pile (RJP), метод Twin-Jet и технология Metro Jet system (MJS) (рис. 1), которые применяются в Китае, Ю. Корее, Японии.

В нашей стране данная технология известна больше как струйная и широко используется на стройплощадках в регионах, сложенных слабыми грунтами. По технологии Jet-1 выполняются вертикальные и наклонные скважины, она применяется для усиления фундаментов зданий, а технология Jet-2 для устройства ограждений котлованов и ПФЗ, в т.ч. нижних распорок. Имеются примеры использования технологии Jet-2 для закрепления грунтов оснований фундаментов зданий [10].

3. Струйная технология в геотехнической практике усиления слабых грунтовых оснований

Повышение несущей способности ленточных фундаментов за счет увеличения ширины и глубины передачи нагрузки

С целью выявления вариантов эффективного усиления ленточных фундаментов на естественном грунтовом основании закрепление следует рассмотреть проведение закрепления не тотально под подошвой, а путем устройства закрепления грунта в виде отдельных рядов ГЦЭ, выполненных по струйной технологии (рис. 2). В настоящее время у струйной технологии усиления нет регламентированных вариантов усиления и методики их расчета [11], поэтому представляется целесообразным рассмотреть часто используемые и применительно к ним методы расчета.

Ограничения относительной неравномерности деформаций фундаментов здания, приводящих к трещинам, делают возможным применение различных вариантов в одном здании.

а. Повышение несущей способности фундаментов за счет увеличения глубины передачи нагрузки

Нагрузка от фундамента усиленного вертикальными стенками передается на грунт, как по их боковым поверхностям, так и в уровне нижнего торца стенок рисунка 3. Между вертикальными стенками в работу включается заключенный между ними массив грунта (грунтовое ядро) только при определенном расстоянии [12]. При этом сопряженный со стенками фундамент работает с ними как единая конструкция, и это зависит от вида грунтов основания, ширины и глубины фундамента заложения. С увеличением расстояния между вертикальными стенками сначала возрастает его несущая способность, после чего происходит снижение до постоянного значения. По боковой поверхности реализуются силы сопротивления, максимальные значения которых соответствуют осадке »4мм. Вертикальные напряжения в плоскости на уровне торца стенок распределяются неравномерно — наибольшие под торцами стенок, а наименьшие в промежутке между стенками и за их пределами. С возрастанием нагрузки эти напряжения линейно возрастают наиболее интенсивно под торцами стенок и меньше в промежутке между стенками. Доля нагрузки N, воспринимаемая боковой поверхностью порядка 10% от общей нагрузки. Расчетная ширина фундамента (м): [LATEX_FORMULA]B=b+2 D_{\text {Гцэ}}+2 d \cdot \operatorname{tg} \alpha.[/LATEX_FORMULA]

Несущая способность [12] нового фундамента равна:

где

—

—

—

—

—

—

Расчетное сопротивление по грунту фундаментов:

Допускаемая нагрузка на фундамент [13]: [LATEX_FORMULA]P=\frac{P g}{k_{g}}.[/LATEX_FORMULA]

где

—

Метод расчета по деформациям фундаментов мелкого заложения с вертикальными стен-ками из ГЦЭ основывается на принципе суперпозиции, в соответствии с которым определяются величины осадок верхнего и нижнего слоев с их сложением:

где S — суммарная осадка фундамента, мм; Sв — осадка фундамента от сжатия верхнего слоя грунта основания; Sн — осадка фундамента от деформации нижнего слоя грунта, залегающего под подошвами вертикальных стенок фундамента. При наличии слабого подстилающего слоя в основании вертикальных стенок величину осадок следует ограничивать значением Sв, что снижает эффективность способа усиления.

Вариантом усиления фундаментов для увеличения нагрузки является устройство «козловых» как и буроинъекционных свай, так и столбов из закрепленного грунта (рис. 2б). Под фундаментами столбы закрепленного грунта выполняются с двух сторон от фундамента под углом от вертикали. Столбы выполняются вплотную или с некоторым расстоянием между наружными поверхностями.

Применительно к струйной технологии расчет осадки производится как условного заглубленного фундамента в соответствии с расчетной схемой рисунка 4 по

[14][14]——

С ростом угла наклона

Для увеличения допустимой нагрузки на ленточный фундамент применяют варианты усиления путем устройства рядов наклонных стенок. Без привязки к технологии изготовления автор

[15]

Методика построения многоугольника сил была разработана и использована для определения коэффициентов несущей способности

[15]

На этой основе и применительно к слабым грунтам с углом внутреннего трения от

—

Из приведенных графиков рисунка 5 видно, что величина

Для слабых грунтовых оснований наглядно продемонстрировано преимущество усиления фундаментов путем устройства наклонных стенок.

[16]

где [LATEX_FORMULA]p_{\text{н}}=\frac{2 c \cdot \operatorname{ctg} \varphi}{1+\xi}-c \cdot \operatorname{ctg} \varphi+p_{0} ; \xi=\operatorname{tg}^{2}\left(45^{\circ}-\frac{\varphi}{2}\right) ; k_{t=0}=\frac{0,5 \cdot E_{\text {упр }}}{E_{\text {упр }} / E_{\text {пл }}(1-2 \nu) \cdot\left[p_{\text{н}}(1+\nu)-p_{0}\right]+(1+\nu) \cdot\left(p_{\text{н}}-p_{0}\right)} ;[/LATEX_FORMULA]

p0Missing Mark : sub

—————

Значимый вклад в увеличение несущей способности оказывают параметры элементов усиления: площадь боковой поверхности и угол наклона ГЦЭ.

Расчет осадки фундаментов зданий при давлениях под подошвой фундаментов больше расчетного сопротивления грунта выполняется с использованием нелинейной механики грунтов. Проведенное нами численное

[17]

На площадках реконструкции для зданий исторической застройки существует ограничение по значениям дополнительных осадок. Поэтому в условии залегания слабых грунтов целесообразно увеличив долю нагрузки передаваемой по боковой поверхности и ограничить передачу нагрузки на подстилающие слои по острию.

При расчете осадки свайных фундаментов сдвиговая осадка используется как один из важных параметров. Ф.К. Лапшин (1979) установил, что величина сдвиговой осадки

[16]

где

В пределах деформаций от нуля до

Подобный подход был нами успешно реализован на ряде зданий ОКН при реконструкции

[17]

Для ГЦЭ на площадках необходимо производить испытания грунтов jet сваями. Наряду с известными методами интерпретации зависимости «нагрузка-осадка свай»: Chin-Kondner Method, Mazurkiewicz, De Beer-Wallays, Decourt

[18][16][19]

На площадках № 1 и № 2 нами были проведены испытания опытных jet свай. Для проведения статических испытаний ствол опытных ГЦЭ (свай) армировался на всю глубину пространственным каркасом. Для устройства сваи № 1 по технологии

На площадке № 2 опытная jet свая была изготовлена диаметром DГЦЭ 0,6 м, длиной в грунте 5 м, под острием залегали пески пылеватые с Е=10МПа (рис. 8). Размыв лидерной скважины dj=0,25 м выполнялся по технологии jet2 цементным раствором с В/Ц=0,9 давлением струи 5 МПа и давлением воздуха -0,45 МПа.

При ведении работ в условии слабых грунтов имеется необходимость в придании основаниям лучших деформационных свойств. Полученные данные на различных площадках показывают, что модуль деформации сформированного на площадке материала ГЦЭ в глинистых грунтах может иметь большой разброс, поэтому до реализации полной осадки элементы могут получить значительные деформации

[20]—

Механизм деформирования ГЦЭ включает несколько этапов: усадочные деформации ГЦЭ

—

где

—————

Осадку

[20]

При устройстве закрепления грунта в днищах котлованов проводится расчет требуемых прочности и модуля деформаций для восприятия горизонтальной нагрузки и подпора воды.

Модуль деформации Е закрепленного основания пропорционален прочности на одноосное сжатие R с коэффициентом 350 – 1000 и зависит от тех же факторов, что и прочность на одноосное сжатие. Для глинистых грунтов отношение модуля упругости к прочности на одноосное сжатие не превышает 600

[21]

[22]

Модуль деформации геомассива равен:

где

———————

Дабы устройство ГЦЭ не приводило к росту напряженно-деформированного состояния в стенках лидерной скважины

[22]

При технологии Jet-2 происходит процесс насыщения цементного раствора пузырьками воздуха и объем подаваемой смеси

где

———————

С учетом этого расход цементного раствора может быть снижен, формула (10) преобразуется:

В случае несоблюдения соотношения (11) происходят вертикальные и горизонтальные деформации окружающего массива грунта, снижение свойств ГЦЭ из-за потерь объема цемента из закрепляемой зоны. Производить оценку эффективности и фиксировать нарушения в технологии закрепления во время производства работ позволяют инклинометрические измерения деформации массива грунта. На (рис. 11б) приведены фактические данные смещений массива грунта за шпунтовым ограждением котлована в период устройства нижней распорки по технологии Jet-2. Горизонтальные смещения массива локально превысили 270 мм, давление струи раствора составляло 45 МПа.

4. Заключение

1. Оценка вариантов ГЦЭ для увеличения несущей способности фундаментов, с целью максимально использовать свойства существующих оснований, за счет ограничения деформаций грунтов путем устройства под подошвами рядов из сопряженных вертикальных и наклонных ГЦЭ позволила показать преимущества устройства наклонных стенок по струйной технологии. Учитывая разнотипность фундаментов исторической застройки для передачи нагрузки на грунты, расположенные на большей глубине более применим вариант а, варианты б и в целесообразно использовать для передачи нагрузки на большую площадь.

2. Оценка конструкций усиления по струйной цементации производится в несколько этапов: выбор варианта и аналитический расчет, сравнение и ограничение неравномерных деформации фундаментов здания; проведение 3D-моделирования усиления для уточнения шагов и углов наклона ГЦЭ усиления для снижения неравномерности деформаций фундаментов. В дополнение к этому, для выявления несущей способности «по грунту» боковой поверхности ГЦЭ под нагрузкой, необходимо проведение статических испытаний слабых грунтов jet сваями. Испытания позволят оценить эффективность конструкции усиления фундаментов, улучшить технико-экономические показатели за счет снижения количества ГЦЭ. Контроль за соблюдением технологий и оценка эффективности усиления должен осуществляться не только путем отбора керна, но и в процессе ведения работ с помощью проведения инклинометрических измерений смещений массива грунта.

3. При реконструкции зданий в условиях слабых грунтов для исключения прироста осадки больше предельной Sсдвиг, передача нагрузки через острие ГЦЭ на грунты оснований должна быть ограничена с учетом их консолидации.

4. Выбор последовательности устройства ГЦЭ позволяет активно влиять на деформационные свойства за счет уменьшения количества «мягких» или увеличения количества более «прочных» элементов с большим содержанием цемента. Выявление вертикальных и горизонтальных деформации окружающего массива грунта будет свидетельствовать о снижении свойств грунтоцемента закрепляемой зоны из-за потерь объема цемента.

The additional file for this article can be found as follows: