Способ определения несущей способности геотехногенных систем

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения несущей способности искусственных оснований (геотехногенных систем), выполненных путем инъекций в грунт закрепляющих растворов и химикатов. Учитывая сложность оценки несущей способности геосистемы на время передачи расчетных нагрузок от сооружения, осуществляют измерения пространственного положения и прочности отдельных элементов массива грунта в различные промежутки времени после осуществления инъекции грунта, например, через 1 - 7 - 10 сут и устанавливают зависимость между изменением измеряемых параметров и временем. По полученным зависимостям судят о несущей способности отдельных элементов геотехногенной системы, соответствующей заданному времени, а по совокупности полученных результатов - о несущей способности геосистемы в целом, используя соответствующие программы инженерных расчетов. В качестве способа измерений может быть использовано статическое или динамическое зондирование, геофизические методы и др., а зависимость между измеряемыми параметрами и временем предлагается представлять в виде логарифмической функции. Способ обеспечивает повышение достоверности определения несущей способности геосистемы. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения несущей способности искусственных оснований (геотехногенных систем), выполненных путем инъекции в грунт закрепляющих растворов и химикатов.

Известен способ определения несущей способности закрепленных грунтов в основании фундаментов, включающий вскрытие области закрепления контрольными шурфами и скважинами по окончании инъекционных работ, отбор и испытание кернов закрепленного и незакрепленного грунтов, вычисление по результатам испытаний несущей способности геотехногенной системы в целом (см. "Строительные материалы и конструкции. Методы контроля качества работ по устройству фундаментов: Обзорная информация. Вып.4." /1/).

Недостаток способа-аналога состоит в большой трудоемкости опытных работ, ограниченности использования известных средств контроля из-за неопределенного пространственного положения, размеров и прочности отдельных элементов закрепленного массива грунта.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является принятый нами за прототип способ определения несущей способности закрепленных грунтов в основании фундаментов, включающий определение пространственного положения, размеров и прочности отдельных компонентов закрепленного массива стандартными способами статического или динамического зондирования, по которым судят об общей несущей способности закрепленного массива грунта (см. "Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве", НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР, М., Стройиздат, стр.4-13, 26-43, 60-67) /2/.

Недостаток способа-прототипа состоит в том, что зондированием, которое выполняется, как правило, не ранее чем через 7-10 сут после окончания инъекционных работ, устанавливается некоторое случайное значение несущей способности закрепленного массива, не соответствующее окончательной его несущей способности к моменту передачи расчетных нагрузок от сооружения.

Известно, что прочность закрепленного массива постепенно увеличивается за счет твердения растворов и химикатов. Однако выполнение зондирования к моменту достижения расчетной прочности растворов и химикатов (как правило, через 28 сут после окончания инъекционных работ) становится невозможным из-за высокой прочности отдельных элементов закрепленного массива, препятствующей проникновению стандартного зонда.

Задача предполагаемого изобретения состоит в упрощении и повышении точности определения геометрического положения, размеров и прочности отдельных элементов закрепленного массива (геотехногенной системы), повышении достоверности определения несущей способности геосистемы, соответствующей заданному времени передачи на нее расчетных нагрузок от сооружения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения несущей способности геотехногенных систем, выполненных путем инъекции в грунт закрепляющих растворов и химикатов, включающем измерения пространственного положения, размеров и прочности отдельных элементов геосистем и вычисление по полученным данным несущей способности геосистем, согласно изобретению измерения производят через определенные промежутки времени после осуществления инъекционных работ в период активного твердения закрепляющего раствора, устанавливают зависимость между изменением измеряемых параметров и временем, а по полученным зависимостям судят о пространственном положении, размерах и прочности отдельных элементов геосистем и о несущей способности геотехногенной системы, соответствующей заданному времени передачи на нее расчетных нагрузок от сооружения.

Предлагаемый способ основан на постепенном увеличении прочности закрепленных грунтов во времени, причем процесс увеличения прочности наиболее интенсивно происходит в период активного твердения закрепляющих растворов, как правило, в течение 7-10 сут после осуществления инъекции грунтов.

Измерения могут проводиться одним из известных методов зондирования, геофизики и др. Наиболее простым и рациональным способом измерения пространственного положения, размеров и прочности отдельных компонентов геосистемы является статическое или динамическое зондирование (см. ГОСТ 20069-81 "Грунты. Метод полевого испытания статическим зондированием" /3/, а также ГОСТ 19912-81 "Грунты. Метод полевого испытания динамическим зондированием" /4/. Параметрами грунтов, измеряемыми в таких испытаниях, являются удельное сопротивление грунта под конусом q и по боковой поверхности f зонда (ГОСТ 20069-81 /3/), а также удельное динамическое сопротивление грунта погружению зонда p (ГОСТ 19912-81 /4/). Зондирование позволяет по усилию погружения зонда установить прочность отдельных элементов закрепленного массива в указанный период наиболее активного твердения закрепляющих растворов, когда прочность его не превышает предельного усилия погружения зондов.

В других, например геофизических, измерениях определяют скорости продольных и поперечных волн в грунтах, по которым также судят о прочности и деформируемости отдельных элементов геосистемы.

О пространственном положении и размерах отдельных элементов геосистемы можно судить по изменению указанных параметров в отдельных областях геотехногенной системы, полученных в исходном состоянии (до осуществления закрепления), и, например, через 1, 3, 5 и 7-10 сут после устройства геотехногенной системы, характеризующихся, в частности - уменьшением измеряемых параметров по сравнению с исходным состоянием; - увеличением измеряемых параметров по сравнению с исходным состоянием; - неизменностью измеряемых параметров по сравнению с исходным состоянием.

Суждение о прочности и деформируемости закрепленного массива получают на основе известных корреляционных зависимостей между параметрами зондирования и искомыми параметрами прочности и деформируемости, например, согласно СНиП 1.02.07-87 "Инженерные изыскания для строительства" /5/).

Измеряемые параметры (зондирования, сейсмоакустики и др.), а также прочность и деформируемость закрепленного грунта, соответствующие заданному времени передачи на него расчетных нагрузок от сооружения, определяют путем экстраполяции результатов измерений, которые могут быть аппроксимированы логарифмической зависимостью A = A₀ + a·l_n[(t + 1)/t₀], где A - значение измеряемого параметра, например удельного сопротивления, при зондировании, скорости распространения продольных и (или) поперечных волн при сейсмоакустике и др. на заданное время t; A₀, a - эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам нескольких измерений в указанном выше интервале времени t; t - время после окончания инъекции, сут; t₀ - размерный параметр, равный 1 сут.

Несущая способность геотехногенных систем по результатам выполненных измерений и их экстраполяции на заданное время после инъекции определяется в соответствии с п.4.6 "Пособия по химическому закреплению грунтов в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01-83)" /6/. Расчеты производятся по двум предельным состояниям на основное и особое сочетания нагрузок и включают проверку прочности и деформаций как собственно геотехногенной системы (последняя в этом случае рассматривается как многокомпонентная композитная система, включающая элементы закрепленного и незакрепленного грунта в пределах контура геосистемы), так и окружающего и подстилающего незакрепленного грунта. Для расчетов используются различные компьютерные программы, одна из которых, в частности, приведена в "Рекомендациях по проектированию закрепленных силикатизацией массивов в лессовых просадочных грунтах" /7/.

При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованиям новизны.

Не выявлены также признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 изображена геотехногенная система по авт.свид. N 1294910 "Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений" /8/, реализованная в основании дымовой трубы высотой 120 м; на фиг.2 изображены результаты статического зондирования в разные промежутки времени после осуществления инъекционных работ; на фиг.3 показана аппроксимация результатов статического зондирования.

Пример реализации способа Фундамент дымовой трубы 1 диаметром 16 м и глубиной 4 м (фиг.1) сооружается на площадке, сложенной просадочными грунтами 2, подстилаемыми на глубине 12,9 м элювиальными непросадочными суглинками 3. В соответствии с проектом в грунт через систему скважин 4 осуществлено поочередное нагнетание суспензии из местного лессового грунта с водой 5 и цементно-песчаного раствора 6. Расстояние между областями инъекций 5, 6 по высоте принято равным 3 м, размещение скважин 4 в плане - в шахматном порядке с шагом 4 м. За пределами контура закрепляемого массива на расстоянии 2 м от края фундамента 1 выполнена завеса 7 (законтурная обойма) путем инъекции водно-глинистой суспензии 4 с шагом 2 м в плане и 2 м между областями инъекции по высоте. Назначение обоймы - уменьшение воздействия окружающего грунта на закрепляемый массив при возможном замачивании извне.

В результате инъекции образуется каркасно-ячеистая структура, включающая упрочненные (жесткие) элементы 6 за счет твердения закрепляющего раствора. Кроме того, геосистема включает уплотненные области 5 (за счет введения глинистых частиц из суспензии, а также под действием давления опрессовки) и неуплотненные зоны (за пределами областей проникновения суспензии и воздействия опрессовки). В пределах законтурной обоймы 7 образуется ослабленная зона.

Пространственное положение, размеры и прочность отдельных элементов геосистемы из закрепленного, уплотненного, неуплотненного и ослабленного грунта меняются во времени; согласно проекту необходимая несущая способность геосистемы должна быть достигнута через 28 сут после окончания инъекции.

Для определения пространственного положения, размеров и прочности отдельных элементов геосистемы на площадке были выполнены полевые испытания методом статического зондирования согласно ГОСТ 20069-81, причем в качестве источника информации здесь рассматривается величина удельного сопротивления грунта под конусом q и зависимость его от глубины z.

Первая серия зондирования выполнена до осуществления инъекции (12 точек зондирования Т_з-1. . .Т_з-12), последующие 4 серии - через 1, 3, 5 и 7 суток после инъекции, вблизи каждой из точек Т_з-1...Т_з-12 (на расстоянии не более 15 см от них). Совокупность пяти измерений вблизи каждой точки зондирования рассматривалась как одна выборка, характеризующая относительную прочность грунта в разные промежутки времени.

Результаты зондирования представлены на фиг.2 для совокупности точек зондирования Т_з-1, выполненных на расстоянии 0,5 м от инъекционной скважины 4.

Позиция 1 на фиг.2 характеризует удельное сопротивление зондированию q до устройства геосистемы, а поз. 2. ..5 - через 1, 3, 5 и 7 сут - после окончания инъекции.

Кроме того, на площадке в скважинах, пройденных вблизи точек зондирования Т_з-1 и Т_з-3, проведены прессиометрические испытания на глубинах 5, 8 и 11 м для определения модуля деформации грунта Е в соответствии с требованиями ГОСТ 20276-855. "Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости" /9/ через 5 сут и 28 сут после устройства геосистемы. Местоположение испытаний прессиометром показано на фиг.1 (поз.8).

Из графиков "q-z" на фиг.2 следует, что сопротивление зондированию сначала уменьшается (поз. 2) по сравнению с исходным значением (поз.1), что позволяет выявить области грунтового массива, ослабленные инъекцией суспензии и незатвердевшего цементно-песчаного раствора. В дальнейшем (поз. 3.. . 5) происходит постепенное увеличение прочности в местах инъекции цементно-песчаного раствора и других (уплотненных) областях. Области уплотнения 5 и упрочнения 6 фиксируются по приращению удельного сопротивления q, что позволяет установить размеры этих областей в плане и по глубине z.

Сопротивление зондированию вне зон влияния уплотнения 5 и инъекции 6 практически не меняется; в местах законтурных обойм 7 имеет место уменьшение сопротивления зондированию q по сравнению с исходным, а увеличения его во времени практически не происходит.

Результаты измерений удельного сопротивления зондированию q в разные промежутки времени t после окончания инъекции представлены на фиг. 3 для трех точек зондирования в координатах "q -ln[(t + 1)/t₀]": поз.1 - для Т_з-1, поз.2 - для Т_з-2, поз.3 - для Т_з-12. На фиг.3 приведена также шкала значений модуля деформации E для отражения результатов корреляции значений q согласно прил. 4 к СНиП 1.02.07-87 /5/ и непосредственных испытаний прессиометром (поз. 4 для Т_з-1 и поз.5 для Т_з-12). Графики на фиг. 3 характеризуют изменение параметров геотехногенной системы для глубины 5 м.

Аппроксимация результатов зондирования уравнением (1), коэффициенты которого (A₀ и а) вычислены методом наименьших квадратов, показана на фиг. 3 соответствующими прямыми.

Экстраполяция их на расчетный период времени t=28 сут позволяет установить характеристики отдельных элементов геосистемы на период передачи нагрузок от дымовой трубы, а с применением программы " Массив-1" /7/ - несущей способности геосистемы в целом. Очевидно, возможна также экстраполяция и вычисление несущей способности геосистемы на другой расчетный период, например на t=180 сут, после окончания инъекционных работ.

Общий характер зависимостей подтверждают также результаты определения модуля деформации прессиометром.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет установить пространственное положение, размеры и прочностные характеристики отдельных элементов грунтового массива, а с их использованием - и несущую способность геотехногенной системы в целом, используя соответствующие программы расчетов. Способ в полном объеме отличительных признаков содержит элементы взаимного контроля измеряемых параметров и существенно повышает достоверность оценки несущей способности геотехногенных систем.

Формула изобретения

1. Способ определения несущей способности геотехногенных систем, выполненных путем инъекции в грунт закрепляющих растворов и химикатов, включающий измерения пространственного положения, размеров и прочности отдельных элементов геосистем и вычисление по полученным данным несущей способности геосистем, отличающийся тем, что измерения производят через определенные промежутки времени после осуществления инъекционных работ в период активного твердения закрепляющего раствора, устанавливают зависимость между изменением измеряемых параметров и временем, а по полученным зависимостям судят о пространственном положении, размерах и прочности отдельных элементов геосистем и о несущей способности геотехногенной системы, соответствующей заданному времени передачи на нее расчетных нагрузок от сооружения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения пространственного положения, размеров и прочности отдельных элементов геосистем производят через 1 - 7 - 10 сут после осуществления инъекционных работ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что результаты измерений аппроксимируют зависимостью вида
A = A_o + a·ln[(t + 1)/t_o],
где A - значение измеряемого параметра, например удельного сопротивления, при зондировании, скорости распространения продольных и/или поперечных волн при сейсмоакустике и др. на заданное время t;
A_o, a - эмпирические коэффициенты, вычисляемые по результатам измерений в разные промежутки времени t;
t - время от окончания инъекционных работ, сут;
t_o - размерный параметр, равный 1 сут.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что о пространственном положении и размерах отдельных элементов геотехногенной системы судят по областям геосистемы, характеризующимся уменьшением измеряемых параметров по сравнению с исходным состоянием.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что о пространственном положении и размерах отдельных элементов геотехногенной системы судят по областям геосистемы, характеризующимся увеличением измеряемых параметров по сравнению с исходным состоянием.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что о пространственном положении и размерах отдельных элементов геотехногенной системы судят по областям геосистемы, характеризующимся неизменностью измеряемых параметров по сравнению с исходным состоянием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3