Разработка и реализация методов стабилизации слабых грунтов органического происхождения (стр. 4 )

Обозначения

1 - линейная 3 - треугольная сетка

2 – групповая 4 - квадратная сетка

Рис. А.8. Примеры свайных конфигураций при сухом смешивании

Рис. А.9. Блокированный тип установки (при сухом смешивании) с перехлестом свай

Обозначения

1 - стеновой тип 3 - блокированный тип

2 - ячейковый тип 4 - площадной тип

Рис. А.10. Примеры свайных конфигураций при влажном смешивании на суше

Обозначения

1 - блокированный тип	5 - соприкасающиеся сваи
2 - стеновой тип	6 - соприкасающиеся стены
3 - ячейковый тип	7 - соприкасающиеся ячейки
4 - точечный тип	8 - соприкасающиеся блоки

Рис. А.11. Примеры свайных конфигураций при морских работах

 

Рис. А.12. Пример связной стены, формируемой влажным способом, и последовательность установки свай.

А.3.5. Комбинированные методы

А.3.5.1. Общие положения

Существует несколько методов, основанных на технологиях, подобных глубинному смешиванию. Эти методы, в данном случае названные комбинированными, постоянно развиваются, чтобы обеспечить эффективное решение особо важных проблем при земляных работах. Эти методы обычно объединяют влажное и сухое смешивание. Ниже описаны некоторые применяемые и востребованные подрядчиками комбинированные методы, например, массовая стабилизация, струйная геотехнология, комбинированная с сухим смешиванием, и т. п.

А.3.5.2. Массовая стабилизация

В тех случаях, когда грунты - в крайне неудовлетворительном состоянии (например, торфяники, иловые отложения, отложения органических и пластичных глин), может потребоваться массовая стабилизация, при которой весь объем грунта обрабатывается, обычно, на глубину 2-3 метров. В настоящее время максимальная глубина такой обработки – 5 метров. Устройства для массовой стабилизации сильно отличаются от буроинъекционных машин. Связующее подается в смесительный коллектор, при этом мешалка вращается и одновременно движется в горизонтальной и вертикальной плоскости. В большинстве случаев устройство для массовой стабилизации - это обычный экскаватор, дополненный, однако, мешалкой. Два типа технологии массовой стабилизации представлены на рис. А.13.

 

Обозначения

1	Цистерна со стабилизатором + весы	5	Торф, ил или глина
2	Рабочая машина	6	Направление массовой стабилизации
3	Мешалка	7	Геотекстиль (для укрепления)
4	Обработанные торф, ил или глина	8	Предварительно подготовленная дамба

Рис. А.13. Два типа массовой стабилизации

А.3.5.3. Струйная геотехнология, комбинированная с сухим смешиванием

Был разработан новый метод, сочетающий преимущества механического смешения и струйной обработки грунта. Такие машины оборудованы смесительным валом, так и реактивным соплом, что позволяет устанавливать сваи диаметром, превышающим диаметр мешалки. Струйное перемешивание также позволяет легко устраивать перехлест свай. Диаметр свай может варьироваться в зависимости от того, применяется струя или нет. Струйная геотехнология подробно описана в EN 12716, [12] и [22].

А.3.5.4 Метод CDM-LODIC

В Японии был разработан новый метод глубинного смешивания для целей снижения латеральных сдвигов грунта во время строительства. Согласно данному методу, группа шнековых буров устанавливается в верхней части смесительного вала, чтобы удалять извлеченный грунт на поверхность земли. Смещения прилегающих грунтов или близко расположенных сооружений можно устранить, замещая весь объем удаленного грунта равным объемом цементного раствора [12] и [22].

А.3.5.5. Метод FMI (нем., сокр. "Прорез, Смешивание, Инъектирование")

Метод FMI (Fras-Misch-lnjektionsverfahren) разработан в Германии. Он заключается в перемешивании слабых грунтов с цементным раствором до однородной массы в глубоких бороздах, при помощи специального фрезерного механизма (нем. Fräsmaschine, в дальн. FMI-машина). FMI-машина представляет собой гусеничную машину высокой проходимости, оборудованную кабиной водителя, силовым приводом и цепной пилой. Лезвия пилы проворачиваются посредством системы двух цепей, сама пила управляется из кабины водителя. Угол наклона пилы может достигать 80°, она прикреплена к машине сзади и может быть спозиционирована строго перпендикулярно рабочей плоскости. Благодаря особому расположению лезвий, грунт не изымается, а смешивается с цементным раствором на месте. Скорость движения, глубина прорезания грунта и количество подаваемого раствора контролируются компьютером.

Пила оборудована инъекционной трубкой и соплами. Цементный раствор смешивается отдельно и подается на режущий механизм по инъекционной трубке. Средняя скорость подачи раствора - 100 куб. м/ч. данный метод обеспечивает возможность обработки грунта на глубину до 9м. Ширина прорезаемой борозды варьируется от 1,0м при глубине 6 м до 0,5м при глубине 9м.

А.4. Оценка строительного процесса

Следует учитывать возможные негативные влияния при производстве глубинного смешивания: смещение грунтов, нарушение стабильности откосов или проблемы с чувствительными геоструктурами. Примеры использования глубинного смешивания для целей обездвижения грунтов и обеспечения их стабильности, для предупреждения неблагоприятного воздействия на прилегающие структуры, а также в качестве подпорной стены при больших объемах срезки грунта, показаны на рис. А.14.

Химические реакции между веществом грунта и связующего приводят к повышению температуры в массе грунта, что наблюдается до тех пор, пока реакции не прекратятся.

При работе со смесительным оборудованием следует уделять должное внимание требованиям безопасности. Негашеная известь реагирует с влажным воздухом или водой с выделением большого количества тепла. Вследствие этого происходит быстрое объемное расширение и нагрев смеси, что может привести к пожару или взрыву. Известь - едкое токсичное вещество, поэтому в качестве мер предосторожности следует работать в плотно прилегающих защитных очках, перчатках и маске. Цемент также достаточно едок.

Обозначения

a - стабилизация/ обездвижение дорожной насыпи; b - стабилизация высокой дамбы; c - ассиметричное обездвижение берегового устоя моста; d - стабилизация откоса; e - исключение влияния близко расположенного сооружения; f - укрепление котлована от воздействия давления/пучения грунта; g - латеральная устойчивость свайного фундамента; h - несущая способность морской дамбы; i - несущая способность волнореза.

Рис. А.14. Различные виды применения глубинного смешивания (по данным Ассоциации CDM [23])

Приложение В

(справочное)

Вопросы проектирования

В.1. Общие положения

В.1.1. Область применения

Вопросы проектирования, рассмотренные в настоящем приложении, связаны с организацией разработки технологического процесса, выбором связующего, лабораторными и полевыми испытаниями, а также с влиянием схемы размещения и эксплуатационных характеристик свай на проект. В данном приложении не рассматриваются подробно принципы и методы геотехнического проектирования, которым посвящен стандарт EN 1997-1. Поскольку глубинное смешивание - это процесс улучшения свойств грунтов, в проекте учитывают два разных аспекта:

- функциональный расчет описывает требуемое проектное взаимодействие обработанных и необработанных грунтов;

- при разработке технологического процесса описываются те средства, которые должны быть задействованы для достижения обработанным грунтом расчетных эксплуатационных характеристик, для чего выбираются и изменяются учетные параметры процесса.

В.1.2. Применение

Область применения глубинного смешивания связана с рассмотрением и решением проблем, касающихся следующего:

- предотвращение усадки (напр., дамб или строений);

- обеспечение стабильности (строений и дамб);

- укрепление откосов и котлованов;

- повышение несущей способности, предотвращение усадки и латерального расширения под динамическими и циклическими нагрузками (напр., в сейсмичных регионах);

- обездвижение и/ или локализация хранилищ отходов или загрязненных участков грунта;

- возведение сдерживающих сооружений;

- снижение вибраций и их влияния на сооружения и людей.

В.2. Принципы проектирования

Грунты, обработанные глубинным смешиванием, должны проектироваться и выполняться таким образом, чтобы поддерживаемая структура, в течение всего предполагаемого срока ее эксплуатации, при достаточном уровне надежности и экономической целесообразности, оставалась пригодной к использованию по выбранному назначению и выдерживала бы все нагрузки и воздействия, которые могут возникнуть в процессе сооружения и эксплуатации. Поэтому должны выполняться требования удобства эксплуатации, обслуживания и предельных возможных нагрузок. Эти требования должны быть заданы заказчиком.

Проект должен выполняться в соответствии с требованиями, изложенными в стандарте EN 1997-1.

Т. н. итеративные расчеты, основанные на результатах, полученных при различных испытаниях, являются важной частью проекта. Здесь особое внимание уделяется тем факторам, которые наиболее важны для процесса выполнения работ по глубинному смешиванию и его целей. Расчеты производятся для наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок, которые могут возникнуть во время строительства и обслуживания.

Процесс глубинного смешивания может вызвать кратковременное уменьшение сопротивления обрушению в результате вызванного им превышения порового давления воды и смещения грунтов. Буроинъекционные сваи должны быть расположены таким образом, чтобы избежать возникновения слабых участков в некоторых сваях, так как это может оказать негативное воздействие на стабильность сооружения.

Анализируя устойчивость, важно принимать в расчет различия в поведении обработанного и необработанного грунта при сжимающих/ растягивающих нагрузках.

Для укрепления котлованов наиболее существенными параметрами являются сжимающие нагрузки на обработанный грунт и его пучение.

На рис. В.1 показано итеративное проектирование, включающее функциональный расчет и разработку технологического процесса.

 

Рис. В.1. Итеративное проектирование, включающее лабораторные испытания, функциональные расчеты, полевые испытания и разработку технологического процесса.

В.3. Выполнение работ по глубинному смешиванию

Цель стандартизированных лабораторных испытаний (камерное смешивание) - получение данных о типе и количестве связующего, соответствующих разрабатываемой конструкции. Испытания должны проводиться для образцов каждого слоя грунта. В большинстве случаев лабораторные и полевые данные о прочности разнятся. Предварительная разработка технологического процесса основывается на результатах лабораторных испытаний, базе данных и информации о схожем опыте строительства, как это показано на схеме В.1. Перед тем, как приступить собственно к строительным работам, сооружают опытные образцы свай. На них проводят полевые испытания, чтобы подтвердить соответствие выбранной дозировки, типа связующего и энергии смешения требуемой прочности и однородности.

Если полевые испытания не дают результатов, удовлетворяющих проектным требованиям, следует пересмотреть расчетную часть и организацию технологического процесса.

В.4. Выбор связующего

Крепители, используемые при сухом смешивании, обычно состоят из цемента или известково-цементной смеси; при влажном смешивании это цемент. Выбор связующего - важный аспект глубинного смешивания, который в большей степени зависит от состояния грунтов и целей их укрепления. Испытания связующих с теми грунтами, которые подлежат укреплению, обычно закладываются в проект в обязательном порядке. Краткое описание обычно применяемых связующих дано в таблице В.1.

1. Связующие, обычно применяемые при глубинном смешивании

Тип грунта	Применяемое связующее
Глина	Известь или известково-цементная смесь
Пластичная глина	Известь или известково-цементная смесь
Органические глины и ил	Известково-цементная смесь или смесь цемента с гранулированным доменным шлаком или известково-гипсовая смесь
Торф	Цемент или смесь цемента с гранулированным доменным шлаком или смесь цемента, извести и гипса
Сульфатные грунты	Цемент или смесь цемента с гранулированным доменным шлаком
Наносы ила	Известково-цементная смесь или цемент

При влажном смешивании в большинстве случаев используется цемент. Для грунтов с высоким содержанием органики или для слишком мягких грунтов с большим содержанием воды могут применяться особые связующие. Смеси зольной пыли, гипса и цемента могут использоваться, если требуется меньшая прочность обрабатываемого грунта. Для улучшения пластических свойств и стабилизации растворов часто используется бентонит.

В.5. Испытания

В.5.1. Общие положения

Используемый метод испытания должен быть адаптирован к целям глубинного смешивания. Так, для предотвращения усадки следует, прежде всего, оценивать модуль упругости грунта, тогда как при повышении прочности и предотвращении обрушений, оценивается, в первую очередь, прочность свай. Определяющими факторами при обездвижении и/ или локализации хранилищ отходов или загрязненных участков грунта являются перехлест и низкая водопроницаемость свай.

В.5.2. Лабораторные испытания

В.5.2.1 Общие положения

Лабораторное испытание представляет собой одно из средств анализа возможностей укрепления исследуемого грунта и проверки результатов глубинного смешивания. Испытанию подвергаются как образцы грунта, смешанные лабораторно, так и образцы, взятые на различной глубине из установленных свай.

В.5.2.2. Образцы, смешанные лабораторно

Образцы, смешанные лабораторно, предоставляют возможность определить, какое количество и тип связующего (или комбинация связующего, наполнителя и добавок), какие связующие свойства и соотношение связующего и воды требуются для стабилизации грунта в намеченных целях.

Для лабораторного исследования образцов грунта и связующего рекомендуются следующие процедуры. включенные в руководство по проектированию [6]:

- лабораторная процедура по приготовлению и хранению тестовых образцов грунта, укрепленного связующим веществом (для исследований по глубинному смешиванию и применению свай);

- лабораторная процедура по приготовлению и хранению тестовых образцов грунта (главным образом, торфа), укрепленного известью и цементоподобными смесями (для исследований по применению массовой стабилизации);

ПРИМ.: Лабораторная процедура по приготовлению и хранению тестовых образцов грунта для японской технологии сухого и влажного смешивания была стандартизирована Японским Геотехническим Обществом.

Корреляция между прочностными характеристиками лабораторных образцов и теми же свойствами в полевых условиях точно не определена. Если появятся обширные опытные данные о корреляции между прочностными характеристиками лабораторных образцов и теми же свойствами свай, установленных в грунт того же геологического происхождения, может быть выведен стабильный коэффициент корреляции. При этом для изготовления образцов нужно использовать тот же тип мешалки и связующего и то же количество связующего, что и на местности.

В.5.2.3. Буровые пробы

Буровые пробы могут быть взяты при помощи колонкового оборудования для роторного бурения. Буровые пробы можно использовать для изучения деформационных свойств, прочности и однородности. Выбор технологии кернового бурения и диаметра керна в наибольшей степени зависит от прочности и гранулометрического состава обработанного грунта. Для свай, заглубленных в мягкие грунты, рекомендуется использовать тройные колонковые трубы для забора образцов (кернов). Количество кернов зависит от размеров и\или сложности проекта. Рекомендуется забирать минимум три образца во время строительства. Забор образцов должен проводиться по всей глубине укрепления. Скорость набора прочности при сухом и влажном смешивании в корне отличается. На нее влияет содержание влаги в грунте и характеристики гидратации связующих. Температура также значительно влияет на набор прочности. Из-за процесса гидратации связующего, который зависит от различных параметров (тип связующего, его связующие свойства и объем обработанного грунта) температура в грунте возрастает. Повреждение образца может вызвать трудности при испытаниях и оказать влияние на его характеристики. Забор буровых проб следует сочетать с другими методами испытаний, перечисленными ниже.

Прочностные характеристики и модуль упругости, E col, образцов обычно определяются испытаниями на неограниченное сжатие. Однако, полученные таким образом результаты будут искажены присутствием трещин в образцах. Если трещины могут быть обнаружены и измерены, предпочтительно проведение испытания на трехосное сжатие (см. prEN 1997-2).

Модуль упругости образцов, М col, определяется испытанием на консолидометре (см. prEN 1997-2). Для оценки усадочного поведения укрепленного грунта модуль упругости сваи более показателен, нежели консолидометрический модуль. Использование консолидометрического модуля вместо модуля упругости при анализе усадки приводит к недооценке долговременных усадочных процессов [1].

Для проведения испытаний на водопроницаемость требуется изготовить специальное оборудование, так как стандартной аппаратуры не существует. Однако, водопроницаемость может быть оценена обратным расчетом, исходя из коэффициента слипания, полученного при консолидометрическом испытании. В.5.2.4. Влажные пробы

Забор влажных проб практикуется в европейской технологии влажного смешивания. Влажные пробы берут до начала схватывания обработанного грунта. Их изымают на критической глубине свай при помощи соответствующего инструмента, обычно или один образец на каждые 500 куб. м обработанного грунта, или один образец в день. Образцы получают следующим образом: опускают инструмент для забора влажной пробы на исследуемую глубину, захватывают жидкий образец, закрывают инструмент для забора влажной пробы и поднимают образец на поверхность земли, где материал обрабатывается и помещается в цилиндры для испытаний. Образцы твердеют при требуемой температуре в формах стандартных размеров, цилиндрических или кубических. Испытания образцов, описанные выше, обычно проводятся после 7 и 28 дней твердения. Условия твердения обработанного грунта на месте отличаются от условий твердения образцов, поэтому прочностные характеристики и скорость набора прочности у последних будут выше.

В.5.3. Полевые испытания

В.5.3.1. Пробные полевые испытания

Вследствие неопределенности в отношении применимости лабораторно установленных характеристик свай, рекомендуется проводить испытания на месте. Одна из наиболее важных характеристик, а именно однородность свай, может быть подтверждена зондированием или забором буровой пробы, что описано выше, и/или подъемом на поверхность всей сваи. Определение свойств водопроницаемости и механической проницаемости свай требует специального оборудования. Пробное полевое испытание этих свойств требует, обычно, установки двух или трех свай с применением разных типов связующих.

Другой важный аспект полевых испытаний - это определение критерия для строительного контроля глубинного смешивания. При строительном контроле определяют следующие оценочные параметры: скорость проходки и возврата мешалки, скорость вращения и крутящий момент мешалки, ширина перехлеста и скорость подачи связующего/ раствора. Если свая должна быть закреплена в твердом скальном основании, крутящий момент и/или изменение сопротивления проходке измеряют, чтобы установить критические оценочные параметры строительного контроля.

В.5.3.2. Прямое определение механических свойств

Измерения давления (см. prEN 1997-2) могут служить основанием для определения прочности свай на сдвиг и сжатие. Для измерений требуется пробурить канал в теле сваи, куда может быть помещен манометр.

Геофизические измерения могут служить основой для определения свойств обработанного грунта под воздействием динамических нагрузок. Также они могут использоваться для исследования цельности свай и для непрямого определения модуля деформации и деформирующего усилия. Однако, методы интерпретации результатов геофизических измерений еще находятся в стадии разработки.

В.5.3.3. Исследование однородности и непрямое определение механических свойств

Испытания на коническом пенетрометре используются для определения прочностных характеристик и цельности сваи. Метод таких испытаний потенциально органичен в использовании по сравнению с испытанием свай на твердость, поскольку необходимо выдерживать вертикаль. Конический пенетрометр позволяет обследовать только часть всего объема сваи из-за размеров конуса. Чтобы конус держался вертикально внутри сваи, зачастую необходимо пошаговое сверление.

Статические/ динамические испытания на твердость, являющиеся комбинацией испытаний на твердость и ударную прочность, используются для обработанных грунтов с пределом прочности при неограниченном сжатии <4 МПа.

Испытание твердости свай проводится с использованием зонда, который вдавливается по центральной оси сваи со скоростью около 20мм/с, с постоянной записью значений сопротивления проникновению. Зонд оборудован двумя лопастями, расположенными по бокам. Этот метод может быть применен для свай с максимальным заглублением до 8м и пределом прочности при неограниченном сжатии <300 кПа. Если сваи заглублены больше, зонд может оказаться в грунте снаружи сваи. Этого можно избежать, если просверлить вертикальный канал по центральной оси сваи. Сверление следует производить без резких толчков. В случае надсверливания, испытание на твердость может проводиться для свай с максимальным пределом прочности при неограниченном сжатии 600-700 кПа и заглублением 20-25м.

Обратный тест на твердость позволяет определить целостность сваи на всем ее протяжении. Для этого теста зонд-крыльчатка, такой же, как в предыдущем описанном тесте, крепится к стальному тросу, закладываемому под основание сваи в процессе ее изготовления. Стальной канат должен иметь прочность на разрыв не менее 150 кН; он проходит сквозь все тело сваи вплоть до поверхности земли. Прочность сваи определяется измерением сопротивления, возникающего при подъеме зонда на поверхность. Изъятие зонда следует проводить со скоростью около 20 мм/с. Тип лопастей зонда должен быть тем же, что и при испытании сваи на твердость. Как было показано, этот метод может служить для измерения изменений прочности по глубине сваи в большей степени, нежели для прямого измерения прочности на сдвиг. В настоящее время метод еще находится в стадии разработки.

В.5.3.4. Испытания на водопроницаемость

Измерения проницаемости под давлением проводятся так же, как и измерения давления, и являются основой для определения водопроницаемости свай в радиальном направлении. Для определения характеристик водопроницаемости на месте могут проводиться различные виды полевых испытаний. Однако, не существует стандартизированного оборудования для проведения этих тестов.

Обозначения

1 - Несущий стержень 1/2"

2 - Трубка, dy=36мм, с резьбой на поверхности

3 - Клин, фиксирующий несущий стержень

4 - Резьба на внутренней поверхности зондировочного щупа

5 - Несущий стержень 1/2"

Рис. В.2. Зонд-крыльчатка, используемый в обычном и обратном испытании сваи на твердость

В.6. Взаимосвязь различных свойств обработанного грунта

В.6.1. Полевая и лабораторная прочность

Различные условия смешивания и твердения обусловливают разницу между грунтом, смешанным лабораторно и непосредственно в поле. Процедуры лабораторных испытаний в Европе и Японии различаются, как отмечалось в параграфе 5. В каждом из регионов используют разные инструменты смешивания, что затрудняет сравнение полевой и лабораторной прочности в общем случае. Однако, если используются одни и те же инструменты для смешивания, организован стандартизированный контроль качества, сравнение полевых и лабораторных образцов обработанного грунта, основанное на накопленном опыте, становится возможным.

Из шведского опыта сухого глубинного смешивания на мягких пластичных глинах основания следует, что соотношение полевой прочности и прочности лабораторного образца варьируется от 0,2 до 0,5. Если речь идет о зернистых грунтах, соотношение полевой прочности и прочности лабораторного образца, вероятно, будет намного больше. Гранулометрические показатели зернистых грунтов в наибольшей степени влияют на это соотношение.

Для метода CDM (метод глубинного смешивания цемента) - наиболее распространенного метода влажного смешивания в Японии, - Ассоциация CDM установила процедуру контроля качества для минимального количества вращений лопасти. При обычном методе сухого смешивания - метод DJM (сухое струйное смешивание), - используется оборудование того же производителя. Накопленный в Японии опыт и данные по применению методов CDM и DJM на суше, обобщены на рис. В.3, а для CDM-метода - на рис. В.4.

Обозначения

1 - Полевая прочность, quf, МПа

2 - Лабораторная прочность, qul, МПа

Рис. В.3. Соотношение показателей прочности при полевых и лабораторных испытаниях (для сооружений на суше [19]).

Обозначения

1- предел прочности при неограниченном сжатии для обработанного грунта в полевых условиях, quf, МПа

2 - предел прочности при неограниченном сжатии для обработанного грунта в лабораторных условиях, qul, МПа

3 - глина

4 - песок } 5 - дамба Дайкоку

6 - глина, порт Хацукаити

7 - глиняные наносы

8 - песчаные наносы } 9 - порт Канда

10 - порт Тиба

11 - порт Китакюсю

Рис. В.4. Соотношение показателей прочности при полевых и лабораторных испытаниях (для сооружений на море [5]).

В.6.2. Взаимосвязь механических характеристик и предела прочности на неограниченное сжатие

Пределы прочности на изгиб, растяжение, модуль упругости и водопроницаемость часто требуются при проектировании. Эти характеристики могут быть получены испытанием буровых проб, взятых на месте из обработанного грунта по завершении строительных работ. На стадии проектирования, однако, возможно, на основании имеющихся данных, предположить величину этих показателей. Для японской технологии влажного смешивания в Институте Технологий развития прибрежных территорий (Япония) накоплен и обработан богатый фактический материал [5].

В.7. Вопросы проектирования

В.7.1. Устойчивость

В.7.1.1. Средневзвешенная прочность на сдвиг

Часто целью установки свай является стабилизация откосов, дамб или стен котлованов. В этом случае сваи желательно устанавливать по числу стен с каждой стороны, перпендикулярно откосу, дамбе или котловану (см. приложение А). Устойчивость анализируется на основании средневзвешенных значений прочностных характеристик необработанного грунта и самих свай. Обрушение обычно происходит вдоль плоской или криволинейной поверхности обрушения, где нарушена прочность свай и окружающего грунта на сдвиг.

В.7.1.2. Влияние размещения свай вдоль потенциальной поверхности обрушения

В случае, когда для обеспечения устойчивости используются одиночные сваи, следует учитывать возможный риск их разрушения при изгибе. Сваи будут вести себя по-разному, будучи расположенными в активной зоне или в зоне относительно чистого сдвига, или же в слабой зоне потенциальной поверхности обрушения (см. рис. В.5). В активной зоне осевая нагрузка на сваю способствует возрастанию сопротивления сдвигу или изгибу, тогда как в слабой зоне сваи могут быть даже разорваны напряжением. Вследствие этого сваи в активной зоне лучше всего подходят для повышения устойчивости грунтов. В зоне сдвига и в слабой зоне сваи, размещенные в виде стен с контрфорсами или в виде блоков, более эффективно предотвращают разрушении при сдвиге, нежели одиночные сваи.

Обозначения

1 - слабая зона

2 - зона сдвига

3 - активная зона

Рис. В.5. В активной зоне осевая нагрузка на свайу способствует возрастанию сопротивления сдвигу или изгибу, тогда как в слабой зоне сваи могут быть даже разорваны напряжением.

В.7.1.3. Перехлест свай

Сваи, устанавливаемые для повышения устойчивости, обычно размещают одиночными или сдвоенными рядами вдоль откоса, котлована или дамбы, и перпендикулярно их стенкам. Это повышает эффективность в сравнении с установкой одиночных свай, так как негативный эффект собственной слабости сваи, а также риск ее разрушения при изгибе нивелируется.

Момент сопротивления отдельных рядов свай должен быть достаточно велик, чтобы предотвратить обрушение. Перехлест свай в отдельных рядах, создающий сплошную стену из свай, повышает момент сопротивления. Опрокидывания свай можно избежать, если увеличить длину ряда и, соответственно, количество свай в рядах. Важен тот факт, что в зоне перехлеста свай обработанный грунт приобретает достаточно высокую прочность на сдвиг, поэтому перехлест свай обоснован. Важно также выдерживать вертикальность перекрывающихся свай по всей длине ряда. Прочность стабилизированного грунта на сдвиг в зоне перехлеста обычно определяет латеральную устойчивость рядов свай.

В.7.1.4. Интервалы между сваями

Из-за интервалов между сваями обрушение может возникнуть в зоне сдвига, если поверхность обрушения расположена близко к оголовкам свай, и внутри зоны перехлеста низкое сопротивление разрыву. Такие интервалы снижают сопротивление свайной стены сдвигу. Можно ожидать, что сопротивление обработанного грунта разрыву в зоне перехлеста составит от 5 до 15% предела прочности на неограниченное сжатие (значение может быть выше или ниже в зависимости от качества и эффективности глубинного смешивания).

В.7.1.5. Скрепление свайных рядов

Сопротивление скрепленных свай становится решающим фактором, если поверхность обрушения расположена близко к основанию ряда. Если сваи установлены отдельно друг от друга, сопротивление сдвигу свай в ряду будет таким же, как если бы сваи были одиночными.

В.7.1.6. Опрокидывание ряда несущих свай

Осевая нагрузка на сваи, расположенные в конце ряда несущих свай, может быть очень высокой, если на свайный ряд воздействует вращательная нагрузка. Полученная таким образом максимальная осевая нагрузка не должна превышать значений, близких к пределу прочности на неограниченное сжатие для отдельной сваи.

В.7.1.7. Применение несущих свайных стен

Несущие стены с усиленными балками обычно проектируются как сводчатые конструкции.

В.7.1.8. Применение блокированных свай

Поскольку свойства обработанного грунта "на месте" несколько отличаются от свойств прилегающих необработанных грунтов, предполагают, что обработанный грунт - это жесткий конструктивный элемент, погруженный в землю для передачи внешних нагрузок на устойчивое основание (Китадзумэ и др., 1996), см. рис. В.6. Для упрощения принимают способ проектирования, аналогичный проектированию сооружений тяжелого типа, таких, как бетонные подпорные стены.

На первом этапе процесса проектирования проводят анализ устойчивости надземной части конструкции, для того, чтобы подтвердить, что надземная и подземная части работают как единое целое.

Второй этап заключается в анализе устойчивости обработанного грунта, обусловленной внешним воздействием; при этом оценивается разрушение сдвигом, переворотом и несущая способность.

На третьем этапе проводят анализ внутренней устойчивости, при котором оценивают нагрузки на обработанный грунт от внешних усилий; требуется подтвердить, что эти нагрузки не превышают предельно допустимых величин.

В конце анализируется смещение обработанного грунта.

В Японии, при проектировании сейсмоустойчивой надземной конструкции, применяют анализ интенсивности сейсмических нагрузок; циклические динамические нагрузки переводят в статические путем умножения удельного веса конструкции на сейсмический коэффициент.

При более сложных схемах укрепления грунта, которые основаны на взаимодействии обработанного грунта и неукрепленного грунта между свай, желательно применять более продвинутые 2-D или 3-D расчеты упруго-пластических деформаций методом конечных элементов, чтобы определить напряжения и сдвиги, возникающие в укрепленном грунте. Разумеется, на качество результата серьезно влияет верный выбор исходных параметров.

Рис. В.6. Последовательность операций проектирования укреплений блокированного типа (Япония) [9]

В.7.2. Усадка

В.7.2.1. Суммарная усадка

Проектирование, связанное с деформациями в буроинъекционных сваях, элементах или конструкциях фундаментов или подпорных стен, должно производиться в соответствии с EN 1997-1.

Сваи, устанавливаемые для снижения усадочных деформаций дамб, наиболее часто располагают по сетке из правильных треугольников или квадратов. Анализ усадочных деформаций, в основном, опирается на предположение о равных деформационных условиях - другими словами, предполагается, что сводчатая конструкция перераспределяет нагрузку, так что вертикальные деформации в сваях и окружающем грунте на определенной глубине становятся равными.

Среднее значение усадки для группы свай будет ограничено противодействующими касательными напряжениями в необработанном грунте, возникающими по периметру группы. Очень малого относительного смещения (в несколько миллиметров) достаточно для возникновения сопротивления сдвигу в грунте. Противодействующие касательные напряжения будут вызывать угловую деформацию в укрепленном грунте по периметру группы, и, следовательно, вызывать неравномерную осадку внутри нее. Противодействие - а с ним и неравномерная осадка, - со временем прекратится из-за вынужденной консолидационной осадки в окружающих грунтах. По этой причине данное явление обычно игнорируется в анализе усадки.

В.7.2.2. Скорость усадки

При сухом смешивании, где водопроницаемость свай может быть выше, чем водопроницаемость окружающего грунта, сваи могут ускорить процесс уплотнения так же, как это происходит с вертикальными дренами. Однако, скорость усадки зависит не только от дренажного эффекта. При взаимодействии жесткого укрепленного и мягкого и липкого неукрепленного грунтов, наиболее частым феноменом становится перераспределение нагрузок в системе с течением времени. В момент нагружения приложенная сила передается избыточным поровым давлением воды. Благодаря постепенному возрастанию жесткости свай, постепенная передача нагрузки от грунта на сваи вызывает временное снижение нагрузки на грунт. В результате, избыточное поровое давление воды в мягком грунте быстро убывает, даже в отсутствии радиального оттока воды. Перераспределение нагрузок - одна из основных причин как уменьшения усадки, так и увеличения ее скорости. Поэтому, даже если водопроницаемость свай находится на том же уровне, что и водопроницаемость прилегающих грунтов, процесс уплотнения ускоряется из-за присутствия свай. Таким образом, обмен нагрузками между сваями и грунтом увеличивает средний коэффициент уплотнения вдоль одной оси. Водопроницаемость свай со временем уменьшается, при возрастающем давлении со всех сторон.

При влажном смешивании влагопроводность установленных свай находится на том же, или более низком уровне, что и влагопроводность окружающего необработанного грунта. Поэтому процесс уплотнения зависит только от вертикального перемещения воды. Однако, из-за перераспределения нагрузок, скорость усадки значительно выше, чем расчетная для уплотнения в одном направлении.

В.7.3. Локализация

Ограничивающая стена формируется за счет перехлеста свай таким образом, чтобы невозможна оказалась протечка сквозь такую стену. Весьма важно, чтобы сваи были гарантированно однородными для предотвращения протечки. Допуски по толщине стены в месте нахлеста и водопроницаемости участков перехлеста должны быть обоснованы в проекте. Обычно при влажном смешивании в раствор вводится бентонит, что позволяет снизить водопроницаемость обработанных грунтов.

Если целью глубинного смешивания является локализация хранилищ отходов, прочность обработанного грунта становится одним из наиболее важных проектных параметров. Необходимо исследовать те реакции, которые могут произойти между обработанным грунтом и загрязнением, особенно в том случае, если отходы имеют высокую кислотность.

Приложение С

(справочное)

Уровень ответственности положений

Положения маркированы согласно их уровню ответственности:

- RQ : требование;

- RC : рекомендация;

- PE : разрешение;

- PO: возможные случаи;

- ST: предписание.

Библиография

[1] Baker, S. (2000), Deformation behaviour of lime/cement column stabilized clay. Doctoral Thesis, Chalmers Univ. of Technology, Gothenburg.

[2] Broms, B. (1991), Stabilisation of soil with lime columns. In Foundation Engineering Handbook, 2nd Edition, van Nostrand Reinhold, New York, Chapter 24, 833-855.

[3] Broms B. (1992), Lime stabilisation. In Ground Improvement, (ed. M. P. Moseley), Blackie Academic & Professional, 65-99.Bruce, D. A., Bruce, M. E. & DiMillio, A. F. (2000). Deep mixing: QA/QC and verification methods. Grouting-Soil Improvement Geosystems including Reinforcement, Finnish Geotechnical Society (Editor Hans Rathmeyer), pp. 11-22.

[4] Carlsten, P. (1995), Lime and lime/cement columns. SGF Rapport 4:95E.

[5] CDIT (2002), Deep Mixing Method — Principle, Design and Construction — Coastal Development Institute of Technology, Japan.

[6] EuroSoilStab (2002). Development of design and construction methods to stabilise soft organic soils. Design guide soft soil stabilisation. CT97-0351. Project No. BE. European Commission. Industrial & Materials Technologies Programme (Brite-EuRam III). Brussels

[7] Hoikkala, S., Leppanen, M. & Lahtinen, P. (1997). Blockstabilization of peat in road construction. Proc. 14th ICSMFE, Hamburg, Vol. 3, pp..

[8] Kitazume, M., Okane, K. & Miyajima, S. (2000). Centrifuge model tests on failure envelope of column type DMM improved ground. Soils and Foundations, Vol. 40, No. 4, 43-55.

[9] Kitazume, M., Omine, K., Miuyake, M. & Fujisawa, H. (1996). Japanese Geotechnical Society Technical Committee Report — Japanese design procedures and recent DMM activities — Grouting and deep mixing. Proc. 2nd Int. Conf. Ground Improvement Geosystems, Balkema 2: 925-930.

[10]Kivelo, M. (1998). Stabilization of embankments on soft soil with lime/cement columns. Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm.

[11]Larsson, S. (2003). Mixing process for ground improvement by deep mixing. Doctoral. Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm.

[12]Matsumoto, J., Ohbayashi, J. Harada, K., Tsuboi, H. & Matsui, T. (1998). Application examples of some innovative ground improvement techniques developed in Japan. Proc. 2nd Int. Conf. on Ground Improvement Techniques, pp. 339-346.Mohrmann, Chr. (1994). Dammsanierung mit dem Deep-Soil-Mixing Verfahren in den USA (after Walker, A. D. "DSM saves the dam", Civil Engineering, ASCE, Vol. 64, No. 12, 48-51).

[13]Porbaha, A. (2000), State-of-the-art in deep mixing technology — design considerations. Ground Improvement 4, 111-125.

[14]Porbaha, A. (2001), Effect of installation on quality of deep mixed soil cement columns. Proc. of Soil Mixing Seminar at Deep Foundation Institute, Clayton, Missouri, 95-109.

[15]Porbaha, A., Tanaka, H. & Kobayashi, M. (1998), State-of-the-art in deep mixing technology, Part 2 : Applications. Ground Improvement 2, No. 3, 125-139.

[16]Porbaha, A., Shibuya, S. & Kishida, T. (2000), State-of-the-art in deep mixing technology — Geomaterial characterization of deep mixing. Ground Improvement 4, No.3, 91-110.

[17]Porbaha, A., Raybaut, J. L. & Nicholson, P. (2001), State-of-the-art in construction aspects of deep mixing technology. Ground Improvement 5, No. 3, 123-140.

[18] Saitoh, S., Suzuki, Y., Nishioka, S. & Okumura, R. (1996). Required strength of cement improved ground. Grouting and Deep Mixing. Proc. of IS-Tokyo, 2nd Int. Conf. Ground Improvement Geosystems, Vol 1. pp. 557-562.

[19]Sakai, S., Takano, S. & Ogawa, K. (1996), Consideration on the target strength of deep mixing methods. Proc. 31st Japan National Conf. on Geot. Engng, 131-132.

[20]Sarhan, A. & Pampel, A. (1999). Optimierung des Fras-Misch-lnjektionsverfahren (FMI) unter erdstatischen Gesichtspunkten. Geotechnik 22, No. 4.

[21]SGF Rapport 2:2000, Kalk - och kalkcementpelare. Vagledning for projektering, utforande och kontroll (Lime and lime/cement columns. Guidance for projecting, execution and control). Swedish Geotechnical Society.

[22] Tanaka, Y., Tsuboi, H., Yamamoto, M. Harada, K. & Matsui, T. (2002). Innovative ground improvement technology in Japan. Proc. 6th Int. Symp. on Environmental Geotechnology and Global Sustainable Development (to be published).

[23]Terashi, M. (1997). Theme lecture : Deep mixing method — Brief state-of-the-art. Proc. 14th Int. Conf. Soil Mech. Found. Engng, hamburg, Vol. 4, pp. .

[24]Terashi, M. (2001), Development of deep mixing in the past quarter century. Material Science for the 21st Century, Vol. A, 180-193. The Society of Material Science, Japan.

[25]Terashi, M. & Tanaka, H. (1981), Ground improvement by deep mixing method. Proc. 10th Int. Conf. Soil Mech. Found. Engng, Vol. 3, 777-780.Terashi, M. & Tanaka, H. (1983), Settlement analysis for deep mixing method. Proc. 8th European Conf. Soil Mech. Found. Engng, Vol. 2, 955-960.

[26]Terashi, M. (2001), Development of deep mixing in the past quarter century. Material Science for the 21st century, Vol. A, 180-193. The Society of Material Science, Japan.

[27] US Department of Transportation (2000), An Introduction to the Deep Soil Mixing Methods as used in Geotechnical Applications. Publication No. FHWA-RD-99-138, Federal Highway Administration.

[28]Wildner, H., Kleist, F. & Strobl, Th. (1999). Das Mixed-in-Place-Verfahren fur permanente Dichtungswande im Wasserbau. Wasserwirtschaft 89, No. 5.

[29] EN ISO 9000, Quality management systems — Fundamentals and vocabulary (ISO 9000:2000)